氫燃料電池引射器結構參數分析

鄭金鳳，于蓬,2，薛彬，魏添，裴寶浩

（1.271100 山東省 濟南市 濟南嬴氫動力科技有限公司；2.271100 山東省 濟南市 萊蕪技師學院；3.271100 山東省 濟南市 山東明宇新能源技術有限公司；4.264670 山東省 煙臺市 煙臺職業(yè)學院）

0 引言

引射器是一種新型的流體機械，因其具有結構簡單、運行可靠、成本低廉、操作方便等優(yōu)勢，在各行各業(yè)得到了廣泛應用，同時也表現(xiàn)出越來越強的技術優(yōu)勢[1-3]。因具有良好的通用性，引射器已被廣泛應用于燃燒裝置、動力、石油化工、制冷、供熱以及礦產開采等各個領域。根據具體需求的不同，引射器在結構和性能上也會存在著一定的差異。

引射器的工作原理主要是通過高壓流體的高速射流實現(xiàn)能量轉換，依靠高壓氣體經過噴嘴時產生的高速射流形成低壓區(qū)，進而引射低壓氣體，并在引射裝置內進行混合，最終實現(xiàn)對低壓氣體增加壓力的目的，此過程不消耗機械能。引射器誕生于19 世紀，為維持蒸汽機冷凝器中的真空狀態(tài)發(fā)明了超聲速引射器，那時對超聲速引射器的幾何結構等研究不充分，通常根據各自的經驗設計制造。直到20 世紀40 年代，隨著流體力學和空氣動力學的不斷進步和發(fā)展,引射器的技術設計理論被科學家廣泛關注，開始了有關引射器的研究和設計[4-5]，歷經幾十年的研究和發(fā)展，逐漸形成了以理論計算、數值模擬和實驗研究等為主導的引射器設計方法。

引射器的結構雖然簡單，但影響引射性能的結構因素卻有很多，例如：噴嘴距、混合室長度、混合室直徑、擴壓室擴散角度等[6]。對引射器而言，某個結構參數的變化會導致引射性能的迅速改變，從而直接影響引射器的工作效率，因此研究結構參數對引射器性能的影響以及引射器的結構設計和優(yōu)化具有重要意義。

1 引射器模型的建立與工作原理

引射器是一種機械結構的增壓裝置，其結構形狀如圖1 所示，主要部件包括工作噴嘴、收縮管、混合室、擴壓室、緩沖室。進入引射器內的流體按照壓力劃分為高壓工作流體和低壓引射流體。工作時，在引射器內部，高壓工作流體經過噴嘴高速射出后會在噴嘴出口處出現(xiàn)一個負壓區(qū)，這個負壓區(qū)與引射流體之間存在巨大的壓力差，使引射流體被直接吸入引射器內。兩種流體在混合室內發(fā)生能量交換并混合均勻，再流進一個擴壓室內，在擴壓室內可實現(xiàn)增壓降速的目的，之后從緩沖區(qū)流出進入電堆。

圖1 引射器結構示意圖Fig.1 Structure of ejector

2 引射器模型的網格劃分與參數設置

CAD 繪制的引射器二維模型導出為*.iges 格式文件，再將*.iges 文件導入ICEM CFD 軟件中對進出口進行設置和非結構網格劃分。全局網格設定中，比例因子設定為0.03，最大網格尺寸為0.008。網格類型選擇方面，表面網格類型選用All Tri 結構，體網格類型選用Tetra/Mixed 結構。

完成網格劃分后，將生成的*.msh 網格文件導入Fluent 18.0 中進行參數的設置與求解。首先查看網格數、節(jié)點數、面數，然后檢查網格的最小體積和最小面積，確保二者均不是負數，再進行參數及求解設置。設置工作流體為純氫氣體，仿真中采用的是Pressure-Based 求解器，選擇Gravity 設置Y 方向重力加速度為-9.81 m/s2，X 方向和Z 方向保持默認值，湍流模型選擇k-ε（2 eqn），其他參數設置如表1 所示。

表1 邊界條件設置Tab.1 Boundary condition setting

3 混合室長度對于引射系數的影響

混合室長度可直接影響能量交換以及氣體的混合過程，從而影響引射器的引射性能。為深入研究不同混合室長度對引射系數的影響，仿真過程中對模型的選擇為：在現(xiàn)有引射器基礎上，僅改變混合室長度參數，其他參數保持不變。引射器結構尺寸參數如表2 所示。選取混合室長度分別為5，10，15，20，25 mm，對5 種混合室長度分別建立引射器模型并利用Fluent 18.0 仿真，得到不同長度下的速度云圖，如圖2 所示。

表2 燃料電池引射器結構尺寸Tab.2 Structural dimensions of fuel cell ejector

從圖2 可以看出，工作流體在經過噴嘴收縮段時，速度逐漸增加，經過臨界面時速度達到極值，此時巨大的壓力勢能轉變?yōu)榱黧w動能。工作流體從噴嘴出口高速射出時，徑向速度逐漸降低而軸向流速基本保持不變。被吸入的引射流體在混合室內與工作流體逐漸混合均勻，從而逐漸擴大至充滿整個混合室，并且兩股流體在混和室內相互混和進行動量和能量交換，兩者速度逐步接近，流動幾乎成為均勻流，至混合室出口進入擴壓室，兩者的速度基本達到一致，并產生正激波，使得混合流體速度下降。最終實現(xiàn)增加流體壓力、降低流體速度的目的。之后在緩沖室稍作緩沖，流入電堆內，為電堆持續(xù)提供穩(wěn)定的流體。

圖2 不同混合室長度下引射器內流體速度變化云圖Fig.2 Flow velocity variation in ejector with different mixing chamber lengths

本試驗采用的性能指標為引射系數，引射系數是指在一定工況下單位質量的高壓工作流體通過引射器時所能吸入的低壓流體的流量，其在數值上等于低壓被吸入流體的質量流量mk與高壓工作流體的質量流量mp之比，計算公式為

式中：μ——引射系數；mk——低壓引射流體的質量流量，kg/s ；mp——高壓工作流體的質量流量，kg/s。

經過計算，得到混合室長度與引射系數的相關曲線，如圖3 所示。

圖3 混合室長度對引射系數的影響Fig.3 Effect of mixing chamber length on injection coefficient

由圖3 可知，當混合室長度在5～15 mm 時，引射系數幾乎呈線性增大；當混合室長度超過15 mm 后，引射系數幾乎不再發(fā)生大的改變，原因主要有以下3 點：（1）當混合室長度過小時，引射器沒有足夠的長度維持負壓狀態(tài)，不能夠充分引射氣體進入引射器；（2）在速度方面，高壓氣體和低壓氣體不能夠在混合室內部充分碰撞，無法達到速度的充分混合；（3）混合室長度在5～15 mm 時，隨著混合室長度增加，存在引射負壓，能夠充分地將兩種流體吸入到引射器裝置內部，保證兩種流體的充分混合，使其完成能量交換，并且在速度上達到基本一致，從而使引射系數達到最大值。

4 結論

當10 kW 氫燃料電池引射器混合室的長度為15 mm 時，對應的引射系數引射系數最大為15.3，長度過小引射系數較小，長度過大引射系數幾乎不再變化。這是因為長度過小，兩種流體在混合室內得不到充分的能量交換；長度過大，增加了阻力損失。據此推斷出混合室長度為15 mm 時，引射器的性能較好，工作效率最高。