魏江濤，曾桃（重慶耐德工業(yè)股份有限公司，重慶401121)

蒸汽噴射器流動(dòng)特性分析

魏江濤，曾桃
（重慶耐德工業(yè)股份有限公司，重慶401121)

蒸汽噴射器廣泛適用各種工業(yè)環(huán)境，但其效率低下，提高其效率是目前非常重要的問題。由于噴射器內(nèi)部的流動(dòng)情況非常復(fù)雜，要對(duì)它進(jìn)行測量非常困難，因此目前噴射器設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)公式。本文利用CFD軟件，采用數(shù)值模擬方法模擬噴射器內(nèi)部的射流流場，對(duì)內(nèi)部流場進(jìn)行分析研究，了解噴射器特征和噴射器結(jié)構(gòu)與噴射器內(nèi)部流場之間的關(guān)聯(lián)，得到一些對(duì)噴射器研究有效的結(jié)論。

噴射器；射流；流場分析

0 前言

蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，成本低，操作和維修方便，對(duì)輸送介質(zhì)無嚴(yán)格要求，快速啟動(dòng)，工作壓力范圍廣，通氣量大。由于其沒有運(yùn)動(dòng)部件，具有運(yùn)行可靠，使用期長等特點(diǎn)。它適用于除塵、凝析油、腐蝕性和容易發(fā)生爆炸的氣體[1~2]。其被廣泛用于真空冶金，真空脫氣，真空濃縮，真空干燥，真空蒸餾，真空冷卻以及真空運(yùn)輸?shù)裙I(yè)。噴射器逐漸發(fā)展成為射流技術(shù)的一個(gè)分支，并且在工程中得到普遍使用。但由于噴射器效率低，耗能大，很大程度上限制了其在日常工業(yè)的推廣和實(shí)際使用。

Keenan和Neumann最早利用一維的質(zhì)量、動(dòng)量以及能量守恒方程對(duì)一臺(tái)沒有擴(kuò)壓器的簡化的噴射器進(jìn)行了研究[3]，得出的性能曲線與通過做實(shí)驗(yàn)得出來的結(jié)果是一致的。Elrod在他們研究的基礎(chǔ)上，提出了另外一種的設(shè)計(jì)方法[4]，之后把效率定義為實(shí)際和理想的噴射系數(shù)之比。Watanabe做了一些實(shí)驗(yàn)來確定對(duì)噴射能，噴嘴位置和擴(kuò)散長度的影響[5]。近年來，由于噴射器良好的適應(yīng)性，在工程上有了長足的應(yīng)用，相應(yīng)的研究也出現(xiàn)不少新的發(fā)展，主要集中在制冷、運(yùn)輸中的數(shù)值研究和理論方向[6-10]。但目前噴射器理論還有很多不確定影響因素，理論只能作為估算依據(jù)，許多的疑問還需要實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算才能得到解決。

1 計(jì)算模型

蒸汽噴射器的結(jié)構(gòu)示意圖為圖1所示，該噴射器由工作蒸汽進(jìn)入室、氣體吸入室、拉瓦爾噴管和擴(kuò)壓器構(gòu)成。蒸汽噴嘴壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的蒸汽提取，混合氣流通過擴(kuò)壓器又將動(dòng)能轉(zhuǎn)變成壓力能從而達(dá)到排氣的作用。工作蒸汽壓力和擴(kuò)壓器出口壓力之間的壓力差，使工作蒸汽得以在管道中流動(dòng)。

圖1 蒸汽噴射噴射器結(jié)構(gòu)簡圖

表1 噴射器部分截面直徑

工作情況：工作蒸汽壓力：P0=0.6 MPa；吸入壓力：P2=0.075 MPa；噴射器排出壓力：P4=0.11 MPa；被抽氣體量：G2=2430 kg/h；膨脹比B=P0/P1=8，取10；壓縮比Y=P4/P1=1.467，取1.4；水蒸氣密度：0.810 kg/m3；

在噴射器模型確定和幾何模型建立后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文的噴射器網(wǎng)格劃分，采用了分塊劃分以保證整個(gè)區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了捕捉到激波和邊界層，噴嘴出口和工作流體與引射流體的混合面上網(wǎng)格要適當(dāng)?shù)募用?。劃分出的網(wǎng)格如圖所示。圖2為局部網(wǎng)格。

圖2 噴射器喉部網(wǎng)格

計(jì)算采用雙精度求解器。蒸汽噴射器和蒸汽噴射流體的速度比側(cè)門小得多，注入流體簡化為環(huán)的入口，模型采用二維軸對(duì)稱模型。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 內(nèi)部流場分析

噴射器具有多種不同的操作工況，因工況的不同，它們的內(nèi)部流場也不同，但是其基本趨勢相似。圖3~5顯示其內(nèi)部流動(dòng)和傳熱情況：

圖3 壓力分布圖

圖4 速度分布圖

圖5 溫度分布圖

從圖5可以看出，工作流體在經(jīng)過噴嘴的漸縮段時(shí)，工質(zhì)速度增大，最后在噴嘴喉部處達(dá)到音速?；旌鲜覕U(kuò)壓段部分混合流體的速度隨著橫截面積的增大而減小。整個(gè)過程中，混合段溫度也在不斷變化。

2.2 激波的產(chǎn)生位置

圖6 噴射器內(nèi)部中心軸線上的速度變化圖

由于噴嘴處出現(xiàn)超音速流動(dòng)，可能在混合段產(chǎn)生激波現(xiàn)象，從而導(dǎo)致流體移動(dòng)不暢，嚴(yán)重時(shí)候可能極大影響引射效果。這個(gè)是在設(shè)計(jì)時(shí)候特別需要注意的情況。圖6反映的是噴射器內(nèi)部中心軸線上速度在噴射器長度方向上的變化規(guī)律。從圖中可以明顯地看到激波的產(chǎn)生。即在很短的位置上，速度發(fā)生明顯的躍變。

3 影響引射系數(shù)的因素

噴射器的性能和結(jié)構(gòu)以及工作參數(shù)都是緊密相關(guān)的。除了結(jié)構(gòu)對(duì)噴射器的性能影響較大，入口參數(shù)對(duì)引射效率也有很大的影響。

引射系數(shù)定義為：μ＝GH/GP，即引射流體與工作流體的質(zhì)量流量的比值。

噴射器的工作參數(shù)主要是工作流體壓力、引射流體壓力和混合流體出口壓力。關(guān)于這些參數(shù)，正常情況是針對(duì)某一結(jié)構(gòu)的噴射器，當(dāng)引射流體參數(shù)和噴射器出口工作參數(shù)一定時(shí)，必然存在一個(gè)最佳的工作流體壓力。當(dāng)工作流體壓力比這個(gè)值小的時(shí)候，噴射系數(shù)會(huì)隨工作流體壓力的增大而逐漸增大；當(dāng)工作流體壓力大于這一值時(shí)，噴射系數(shù)又會(huì)隨著工作流體壓力的增大而減小。為了確認(rèn)這個(gè)最佳工作壓力，確定其他條件不變，入口壓力從0.3 MPa到0.8 MPa，每次遞增0.05 MPa改變。最后的計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7工作流體壓力與引射系數(shù)的函數(shù)圖

圖7 為計(jì)算結(jié)果的折線圖，由圖中可以看出：當(dāng)引射流體參數(shù)和噴射器出口工作參數(shù)一定時(shí)，工作流體壓力逐漸增大，噴射系數(shù)開始增加；當(dāng)在工作流體壓力為0.5 MPa時(shí)候，引射系數(shù)達(dá)到最高；壓力繼續(xù)增大，這時(shí)引射系數(shù)開始下降。

由上可知，在噴射器其它幾何參數(shù)和工作參數(shù)不變的時(shí)候，噴射器存在一個(gè)最佳的工作流體參數(shù)，當(dāng)工作流體壓力小于這一值時(shí)，噴射系數(shù)隨工作流體壓力的增大而增大；當(dāng)工作流體壓力大于這一值時(shí)，噴射系數(shù)隨工作流體壓力的增大而減小。

4 結(jié)論

1、流體在噴嘴出口的時(shí)候已經(jīng)達(dá)到了音速，我們可以在研究中看到激波在噴嘴出口到吸入室這段距離，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能發(fā)生混合室堵塞。

2、通過以上的研究發(fā)現(xiàn)，在此處所使用的固定模型的基礎(chǔ)上，最佳的工作蒸汽壓力為0.5 MPa，所達(dá)到的噴射系數(shù)為1.42。因此對(duì)于噴射器其它幾何參數(shù)和工作參數(shù)一定時(shí)，噴射器存在一個(gè)最佳工作流體參數(shù)，當(dāng)工作流體壓力小于這一值時(shí)，噴射系數(shù)隨工作流體壓力的增大而增大；當(dāng)工作流體壓力大于這一值時(shí)，噴射系數(shù)隨工作流體壓力的增大而減小。

[1]董建華.氣液噴射器內(nèi)兩相過程的機(jī)理及數(shù)值模擬研究[D].大連理工大學(xué),2006.

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Analyses of the Flow Characteristics of Stream Ejector

WEI Jiang-tao,ZENG Tao
（Chongqing Endurance Industry Stock Co.,Ltd.,Chongqing,Sichuan 401121,China）

The steam ejector is widely used in industry.However,it have become an important problem to improve its efficient.Due to the internal injector flow is very complex and very difficult to measure,the injector design formulas rely mainly on experience currently.We simulate the interior of the jet injector flow field analysis and study of the flow field by numerical simulation method.To study the characteristics of the structure and flow field,the effective conclusions of injector are obtained.

ejector;jet;flow analysis

1006-4184（2015）3-0048-03

2014-10-25

魏江濤(1978-)，男，本科，主要研究方向?yàn)楸砻娓男苑矫娴难芯俊-mail：weijiangtao113@163com。