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1、喷射器的结构改进和流场分析毛凯田* 经树栋(华东理工大学化机研究所)摘 要 介绍喷射器的工作原理及国内外的研究现状。对喷射器的收缩喷嘴、喉管以及扩压器等主要构件对其工作效率的影响进行了叙述。应用工程分析软件ANSYS( FLOTRAN) 对喷射器内部的流场进行模拟并对数值计算结果进行分析。关键词 喷射器 流场分析 数值模拟 泵1 喷射器工作原理喷射器, 亦称喷射泵, 自 20 世纪5060 年代应用到工业领域以来, 以其结构简单、加工 容易、 成本较低、 工作可靠、 安装维护方便、 密封性好、 应用广泛等优点在石油化工、 医药、 冶金、油脂等行业中得到了广泛的应用。喷射器是利用射流紊动扩散作用
2、来传递能量和质量的流体机械和混合反应设备。它由喷嘴、 喉管入口、 扩压器及吸入室等部件组成, 见图 1。 其工作原理是: 有压流体( 液体或气体) 通 过喷嘴射出,在喷嘴口处由于射流边界层的紊动扩散作用, 与周围被吸流体发生动量交换, 这两股流体在喉管入口段及喉管内混合, 进行能 量和质量传递, 于是工作流体的速度减小, 被吸流体的速度增大, 两者的速度在喉管出口处渐趋一致。流体的压力从喷管出口截面到喉管入口截面是降低的, 以后逐渐增高,通过扩散 管将混合流体的动能转换成压力能,压力进一步升高, 流体沿排出口被输送到用户中去。2 国内外研究现状喷射器是依靠射流使流体质点间产生相互撞击来传递能量
3、的。在混合过程中产生大量旋图 1 喷射器结构涡,在喉管内壁产生摩擦损失以及在扩散管中产生扩散损失, 所有这些都会引起大量的水力损失, 从而使大部分能量在传递过程中损失掉,导致生产成本提高, 效率降低。 随着节能降耗、 保护环境日益得到人们的重视, 对改善喷射器结构和提高其性能的研究, 越来越受到国内外研究者的重视。目前, 对喷射器的理论研究尤其是对喷射过程的深入研究, 还很缺乏。由大连理工大学沈胜强等编写的 喷射式热泵的设计计算和性能分析 介绍了喷射器设计的一维分析理论及 方法。 这一理论对喷射器的设计起了重要作用,但它对喷射器内的流动过程未能作出描述,不能分析影响喷射流动的因素,其分析结果有
4、很 大的局限性。* 毛凯田, 男, 1980 年11 月生, 硕士生。上海市, 200237。58喷射器的结构改进和流场分析采用多维数值模拟方法和激光多普勒测试仪测试对喷射器二维模型进行分析研究,能对喷射器内流动过程及影响因素有更清晰的了解, 并能揭示一些一维理论无法解决、实验难 以测量到的现象。对于喷射器来说,其结构虽然简单,但影响其性能的因素却比较多,包括喷嘴、喉嘴间距、喉嘴长度、扩散管角度、喷嘴与喉管面积 比等,各个参数对喷射器性能都有不同程度的影响。另外, 喷射器的工作流体、引射流体和混 合流体的压力、流量、物性和操作条件以及附带设备的运行状况也直接影响其效率和性能。本文主要对喷射器性
5、能进行综合分析, 尤其是运用流体模拟计算对喷射器的喷嘴、混合 室、扩压器内流场以及各部分尺寸对其性能的影响进行分析, 从而对喷射器的结构参数进行优化。 3 数值模拟喷射器的工作过程很复杂, 为了便于分析,作如下假设:( 1) 压缩空气与被抽气体均为理想气体;( 2) 压缩气体与被抽气体在喷嘴出口 到扩压器喉部入口间为等压混合; ( 3) 流体在扩压器喉部发生正激波;( 4) 压缩气体及被抽气体在泵内的压缩与膨胀过程为绝热过程。压 缩空气经过喷嘴变成超音速气流, 喷射到扩压器的混合室内。由于空气流处于高速状态, 而压力则降得较低,同时还降温,这就使吸入室内形成负压。此时, 被抽气体被吸进混合室。
6、本文采用流 体数值 模拟软 件 ANSYS( FLOTRAN) 对喷射器内部的流场进行模拟,并对数值计算结果进行分析。3. 1 喷射器的设计条件和计算设计条件: 压缩空气压力 Pp= 0. 6MPa, Ph= 0. 1MPa, 空气绝热指数 Kp= Kh= 1. 4, 气体常数 R= 287J/ ( kgK) , 温度 tp= th= 27。式 中, 下标 p 代表工作介质, h 代表引射流体。 工作介质和引射流体均为空气。本文研究的喷射器结构尺寸如图 2所示。图2 喷射器结构尺寸计算假定: ( 1) 工作喷嘴的出口截面和混合室的入口截面重合在一起;( 2) 在喷嘴出口截面所在平面与渐缩管入口
7、截面之间的那一段上, 工作介质和引射流体各自流动而不混合。 由 流体力学连续性方程及拉瓦尔喷嘴的特性( 即喉部速度为音速) 可推导出喷嘴喉部直径 d0为2mm,从而得出其余结构参数, 见图 2。 3. 2 建立模型 ( 二维模型)采用 二维建 模,元 素类 型定义 为 2DFLOTRAN 141。 采用四边形网格, 因壁面附近存在较大的速度梯度, 故对其加密划分网格, 见 图3。然后, 对其进行加载和约束, 见图 4。湍流模型选用标准k- E模型。 在求解过程中应逐步将人工粘性减小,直至为零; 动量惯性和压 力惯性逐步增大, 直至为 11015; 根据收敛情况适当调整稳态控制设置中的执行次数,
8、 最终得到分析结果。图3 二维划分网格图 4 加载和约束59 化工装备技术第 26 卷 第 1 期 2005 年4 结果分析( 1) 根据图 5 和图 6 的分析结果, 轴向坐标 X= 30 至X= 50 区域内, 速度和压力变化平缓, 即前面部分高速区变化很小。这部分实际 上为射流初始段,在射流初始段存在一个高速射流的等速核。随着二次流的吸入,射流混合区在喉管内不断发展,即这部分不断卷吸周围二次流介质,等速核逐渐减小,呈锥形向前发图 5 喷射器内部沿轴线方向速度云图图 6 喷射器沿轴线方向速度变化曲线图 7 喷射器沿轴线方向压力变化曲线图 8 喷射器混合室入口截面至扩压器出口截面压力变化曲线
9、展。在一定区域, 等速核消失, 这时射流区基本结束。 紧接着是混合区域, 速度急剧下降, 形成湍流混合, 即图 5 和图 6 中轴向坐标 X= 50 至 X= 80 这段区域内所显示的。根据文献 2中的理论, 如果在此处采用维多辛斯基曲线的喷嘴, 等速核心区会略长于锥状喷嘴,轴线上的速度会衰减得较慢, 能量损失会较小, 就可 以达到最佳的节能效果。由图 7可见, 压力在喷嘴的喉部达到最低,而此时的速度接近临界速度,即音速。( 2) 由图 8 可以看出, 工作流体中心与周 围的引射流体之压差约为 2. 5104Pa。 图 8 中,轴向坐标 X= 20 至X= 50 区域内, 理论上压力应随着速度
10、的增大而逐渐减小, 但是图中却显示出压力连续波动,这是因为混合室入口截面 近壁处轴向速度减缓, 引射流体和工作流体在混合初始阶段速度相差较大, 引起二次流卷吸,使局部区域出现了回流。随着扩压器中喉管内引射流体和工作流体混合的发展,两者速度逐 渐均匀,且径向速度逐渐减小, 回流也逐渐减小,直至消失。所以为了减小或者消除回流的影响, 必须保证一定的喉管距离。( 3) 随着扩压器出口截面积的增大, 轴向 速度理论上应该逐渐减小, 但是计算结果却出现局部速度增大的情况, 具体情况如图6 所示。60喷射器的结构改进和流场分析轴向坐标X = 110 处附近, 速度出现峰值; 图7和图 8 中, 出现压力的
11、降低。这是由于流体在射流的管道内部并没有完全膨胀, 靠近出口截面的静压仍然大于环境压力, 所以在出口截面 附近继续膨胀。此时,由于截面面积的增大而导致的速度减缓完全被气体膨胀所产生的速度增量所抵消,故轴线上的速度继续加大直至完全膨胀。当气流完全膨胀后, 由于截面积增大 而导致的速度减缓所产生的影响才显现出来。如前所述, 如果喷射器内部流道为维多辛斯基曲线的喷嘴,气流就会在喷管中逐渐趋于完全 膨胀,从而获得均匀的出流速度场。( 4) 同样, 出口截面附近有局部区域出现回流现象, 而在前述文献 2的模拟结果中也有提及,但在其实验中未测出这一较小的负速度 区, 这就是本次分析的不够完善之处, 有待于
12、进一步改进。( 5) 本文研究的是可压缩轴对称射流, 但 是从图 5 中可以看出,模拟的结果并非完全轴对称。究其原因,笔者认为, 是由于初始假设整个模型截面直径的最大值仅为 12mm,所形成的剪切层厚度未达到形成大涡核的要求。由 于圆形射流的曲率对剪切流动影响较小,因而对轴对称射流产生的影响较小,所以在计算机模拟结果中存在这一偏差还是可以接受的。参 考 文 献1 K E 布朗. 升举法采油工艺 ( 卷二, 下册) . 北京: 石油 工业出版社, 1987: 427- 4752 孙殿雨. 采油喷射泵理论计算与实验研究: 硕士论文 .北京: 石油大学, 1994.3 陶文诠. 数值传热学. 西安:
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