喷射器二维流场与性能的数值分析.pdf

第 2 9卷第 6 期 2 0 0 8年 6月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e 1 v o I ． 2 9 No． 6 J u n．2 00 8 喷射器 二维流场 与性能 的数 值分 析 陈辉 ，陈修娟 ，肖立 川 江苏工业学院 机械与能源工程学院，江苏 常州 2 1 3 0 1 6 摘要 用 C F D数值模拟的方法实现 了蒸汽喷射 器二 维流场的分布和变工况特性。结果表 明 喷嘴 出口后工作蒸汽与引射 蒸汽并非等压混合， 速度值与压力值呈现 出连续振荡逐渐趋于稳定 的趋势。同时分析了工作流体压力、 引射流体压力以及出口压力对喷射器性能的影响， 并探讨了各 参数对喷射器工作性能产生影响的原 因。 关键词 蒸汽喷射器；数值模拟 ；喷射 系数 ；变工况 中图分类号T K 2 6 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 8 o 6 一 O 0 5 7 0 4 Nu m e r i c a l An a l y s i s o n Two Di m e n s i o n a l Fl o w Fi e l d a nd Pe r f o r m a n c e 0 f E j e c t o r C HE N Hu i ， C H E N X i uj u a n ，X I A O L i c h u a n C o U e g e o f M e c h a n i c a l a n d E n e r g y E n g i n e e r i n g ， J i ang s u P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ， C h a n g z h o u 2 1 3 0 1 6 C h i n a A b s t r a c t R e a l i z e d t h e t w o d i m e n s i o n a l fl o w fi e l d o f s t e a m e j e c t o r b y the m e t h o d o f C F D n u m e r i c al s i m u l a t i o n ， a n d d i s c u s s e d the m a n e u v e ri n g c o n d i t i o n o f e j e c t o r ． e r e s u l t s o f the ana l y s i s i n d i c a t e t h a t w h e n i e t fl o w s c o mmi x e d t o the i e t fl o ws ，i t i sn o t i n e q u p r e s s u r e m o d e 1 ． e n u mb e r o f v e l o c i t y and p r e s s u r e i s c o n c u s s i o n fi r s t and the n g 0 t o s t a b i l i z a t i o n．I n a d d i ti o n ，an an al y s i s w a s c o n d u c t e d o f the i mp a c t of s u c h p a r a me t e r s as th e o p e rati n g s t e am p r e s s u r e ，th e p r e s s u r e o f j e t fl o w s and m i x e d fl u i d s o n th e o p e r a t i n g p e r f o r m anc e o f the e j e c t o r ，and a n a l y z e d i t s r e a s o n ． K e y w o r d s s t e am e j e c t o r ；n um e r i c al s i m u l a t i o n ； e j e c t c o e fi q c i e n t ； m ane u v e r i n g c o n d i t i o n 1 喷射器的结构和简化模型 喷射器的结构原理见 图 1 。工作流体经过缩放 喷嘴后形成超音速 的射流 ， 同时压力降低对 引射流 体产生抽吸作用 ， 引射流体进入吸收室后 在工作流 体高速射流的作用下加速， 2股流体在混合室里逐 渐形成单一均匀的流体 ， 在扩压室 中扩压、 减速后达 到一定背压 。 工作 流体 图 1 喷射器结构原理 图 考虑到引射流体人口段气体流速与喷嘴出口工 作气体的流速相 比很小， 所以可以将引射流体的侧 向入口简化成轴向环形人口， 从而将喷射器的三维 结构简化成二维轴对称模型 。模型的建立和网格的 划分是在 F lu e n t 的前处理模块 G a m b it 软件中生成 的， 模型见图 2 。 图 2 用 G a mb i t 软件建立的简化模型与 网格划分 2 数学模型及数值计算 1 控制方程 流体流动要受物理守恒定律的支配， 基本的守 4结语 采用 T e r m i n a l 滑模变结构控制设计， 可使整个 系统反应快速、 灵敏， 而且抗干扰能力显著提高。仿 真实验中也发现， 对滑模控制参数需要多次反复地 选取 ， 并找到一个最好的参数组合 ， 在有多个滑模参 数的情况下， 对于实际控制系统来说， 这是一件费时 费力的工作。如果参数选择不当， 滑模控制的质量 和效果会受到很大的影响， 比如会加剧滑模控制所 固有的抖振现象 。 参考文献 [ 1 ] J ． Wa n g ，C． M．G o s s e l i n ．M o d e l i n g a n d S i m u l a t i o n o f R o b o ti c S y s t e m w i t h C l o s e d K i n e m a t i c C lan s U s i n g th e V i r t u a l S p ri n g A p p r o a c h [ J ] ． M u l ti b o d y S y s t e mD y l l a n l i e s ，2 0 0 2 7 1 4 51 7 0 ． [ 2 ] 王晓宁， 苏学成， 樊炳辉． 用约束条件进行解耦的喷浆机器人大 臂动力学方程[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 7 ， 2 8 4 5 1 5 3 ． 1 3 ] Y．F e a g ，X． H． Y u ，z ． H． Ma n ．N o ns i I l ； a r t e r min a l s l i d i n g mo d e c o n t r o l o f ri g i dm a n i p u l a t o r s [ J J ． A u t o m a t i e a ， 2 0 0 2 3 8 2 1 5 92 I 6 7 ． 作者简介 王晓宁 1 9 6 3一 ， 山东潍坊人 ， 副教授 ， 博士 ， 1 9 8 5年 本科毕业 于南开大学 物理系 ， 主要研究 方 向为 检测技术 及机器 人控 制 ， 曾获 山东省科技进步 ～等奖 ， 已发表 论著 近 2 0篇 ， 电话 0 5 3 2 8 6 0 5 7 9 7 0 ， 电子信箱 w a n g x n i n g 1 6 3 ． c o ir 1 ． 一 5 7 一 收稿 日期 2 0 0 8 0 1 1 7 维普资讯 V o 1 ． 2 9 N 。 ． 6 喷射器二维流场号眭 能的数值 查 吁 _二 笠 箜 鲞箜 羔 塑 恒定律包括 质量守恒定律 、 动量守恒定律 、 能量守 恒定律 。 连续性方程 0 d t dx j 动量方程 一 器一 A 。 去 c吾 ， 3 x j 式中 0 压力梯度换算方法的控制变量； A 。 层流与湍流的控制变量 ； 湍流脉动动能 ； 湍流黏性应力张量 。 能量方程 丢 K 3 T 一 ij 一 一 J， 十 ， 式中 E 比内能 ； 卜有效导热系数 ； 组分 的扩散通量 。 方程右边前 3项分别是导热项 、 组分扩散项和黏性 耗散项。 2 控制方程的离散化 区域和方程的离散是采用有限体积法 F i n it e V o l u m e M e th o d ， 硎 进行的。具体方法是将计算区 域划分成 网格 ， 并使各个 网格点周围有一个互不重 复的控制体积， 将每一个待解方程 控制方程 对每 一 个控制体积积分， 从而得到一组离散方程组， 其中 的未知量就是网格点上的因变量。有限体积法可以 视为传统离散方法有 限差分法和有 限元法的中间产 物， 具有计算效率高的优点， 目前在 C F D领域得到 了广泛应用 。 3 湍流模型 由于喷射器流体流动为湍流状态， 还需遵守附 加的湍流输运方程 。湍流模型采用标准 ke两方 程模型， 其湍动能 k 和耗散率e 方程分别为 lD dk 麦 差 ] G G b 一 一 面d e 杀 [ 蠹] c c ， ； 6 一 F 2 c2 e l D 式中 平均速度梯度引起的湍动能； ； 6 浮力影响引起 的湍动能； 可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的 影响。 湍流黏性系数 10 C c 、 c 、 C ， 与湍动 能和耗散率的普朗特数t7 tT 均为常数。 4 边界条件和流体物性 工作流体和引射流体的进 口 采用压力人口边界 条件， 同时给定相应的温度和湍流条件； 混合流体出 口采用压力出口边界 ， 给定静压和适当的回流条件 ； 固体壁面采用不可渗透和无滑移绝热边界； 中心采 用轴对称条件 ； 时间离散采用 多重 R u n g eK u t t a显 式格式迭代； 并采用多重网格法加速迭代收敛， 自 适 应网格法捕捉激波。流体介质用空气代替过热水蒸 气， 密度按理想气体法则处理， 黏度由温度的指数函 数形式确定。 3 模拟结果与分析 ． 在模拟 中， 工作蒸 汽压力 P 。 0 ． 1 5 MP a ， 温度 2 1 0℃； 引射蒸汽压力 P 0 ． 0 3 5 MP a ， 温度 1 4 5℃； 混合蒸汽压力 P 0 ． 0 5 5 MP a ， 温度 1 6 0℃。 1 内部流场分布 流场分布云图见图 3 。从图 3 a 可以看出， 工 作流体经过喷嘴喷出后形成超音速的高速射流， 高 速射流射人吸收室低速流动的引射流体中， 由于射 流边界层的紊动扩散和径向压力差作用使得高速射 流与周围引射流体发生混合。高速射流与低速引射 流体问有一速度梯度并发生动量交换， 动量变换的 结果使低速引射流体流动加速 ， 高速射流减速。在 混合室中混合流体得到充分发展， 2 股流体速度渐 趋一致， 完成混合过程。混合流体在扩压室中流速 进一步降低， 动压转化为静压， 压力升高达到背压要 求。同时从图4 a 中可以看出， 工作蒸汽从喷嘴喷 出后并非均匀减速 ， 速度值呈现 出连续 的振荡后逐 渐趋于稳定下降的趋势， 压力值也有着相似的情况。 图 3喷射器 内部流场分布 云图 2 速度振荡现象分析 从图3 b 和图4 b 可以看出， 工作蒸汽喷出喷 嘴后压力低于周围的引射蒸汽， 由可压缩气体动力 学可知 ， 当喷嘴出 口为超音速而出 口周 围环境压力 维普资讯 第l2 9 卷第6 期 喷射器三维流拯 丝堂 鱼 堑二隧 竖 箜 2 鱼 高于喷嘴出口压力时 ， 将从喷嘴出 口边缘产生斜激 波， 以使流动方向转向中心 见图 5 。斜激波穿过 流动核心截面， 到达对面的混合剪切层， 被反射为膨 胀波。波连续地反射、 转换， 喷嘴出来的超音速工作 流体相应地出现， 经斜激波压缩、 经膨胀波扩散的过 程， 直到黏性耗散和混合将波能耗尽。从本文模拟 出的流体压力及速度分布 ， 可以清晰地观察到这一 现象。同时从图 4 b 还可 以看 出， 喷嘴出 口后的工 作蒸汽压力并不等于引射蒸汽压力 ， 只是 围绕引射 蒸汽压力值出现反复的振荡， 平均值与引射蒸汽压 力大体相等， 所以一维理论 中的等压混合假设并不 完全成立。 轴 向尺寸／ 珊 a 轴心速度分布曲线 轴向尺寸／ 珊 b 轴心压力分布 曲线 图4 喷射器轴心参数变化曲线 图5 喷嘴出口射流的斜激波现象 1 ． 压缩波2 ． 膨胀波 4 喷射器的变工况特性 n Q 1 4 n 1 6u 1 8 n2 0 U u2 4n U ub 1 u 工作蒸汽压； 0 ／ a r m 图6 工作蒸汽对喷射器性能的影响曲线 1 ． P 0． 4 0 2． P 0． 3 5 P O． 3 0 从图 6 中可见， 在相同的 p 和 P 。 条件下， 引射 蒸汽压力越大， 喷射系数越高。当 P 低于某一值 时， 其喷射系数为负值， 喷射器并不能正常工作， 这 是因为工作蒸汽 的抽射能力 不足 ， 喷射器 的背压反 而将蒸汽从引射蒸汽入 口压出。随着工作蒸汽的逐 渐增加 ， 喷射系数也 随之增大 ， 但是当 P 。 超过某一 临界值 p 后， 喷射系数反而随工作蒸汽的压力升 高而降低 ， 这是因为工作蒸汽压力越高， 喷嘴出口的 临界压力也越高， 径向压力差降低引起卷吸能力下 降， 同时随着工作蒸汽压力的提高， 喷嘴出口激波越 强烈， 经激波损失的机械能也越大， 从而使得喷射系 数降低。由此可见， 当P 。 超过临界值后， 盲目地增 加工作蒸汽压力并不能增强喷射器的工作性能， 反 而增加了工作蒸汽的消耗量。 2 引射蒸汽的影响 P 0 ． 1 5 M P a 、 P 。 0 ． 0 5 5 MP a时 ， 喷射 系数与 引射蒸汽压力关系见图7 。当引射蒸汽压力过低时， 喷射系数为负值， 喷射器不能正常工作。随着引射蒸 汽压力逐渐升高， 喷射系数也随之增加。这是因为随 着引射蒸汽压力的增大， 喷嘴出口处的径向压力差也 增大， 加强了2 股流体混合的卷席程度， 同时进 口压 力提高， 也增加了流体克服喷射器背压的能力， 从而 使得喷射系数增大。但在实际应用中， 引射蒸汽参数 往往由现场参数决定， 所以一般不能考虑用提高引射 蒸汽压力的方法来改善喷射器的性能。 喷射器 的工作能力用喷射系数来表示 ， 它表示 在一定的工作条件下 ， 单位质量的工作流体能输运 引射蒸汽的质量， 在数值上等于引射流体质量流量 与工作蒸汽质量流量之 比， 即 G ／ G 。 1 工作蒸汽的影响 混和蒸汽压力保持不变， 考虑引射蒸汽压力 p 分别为 0 ． 0 3 M P a 、 0 ． 0 3 5 M P a 、 0 ． 0 4 0 M P a 时工作蒸汽 对喷射系数的影 响， 工作蒸汽压力 p 由 0 ． 1 2 5 MP a ． 逐渐增加到 0 ． 3 M P a ， 喷射器的变化规律见图 6 。 一 5 9 一 引射 蒸汽压 ； 0 ／ 肝 图7 引射蒸汽对喷射器性能的影响曲线 3 混和蒸汽压力的影响 5 4 3 2 l O l 2 3 眦 ㈣ 鞴 朵替 维普资讯 V o 1 ． 2 9 N o ． 6 喷射器二维流场与性能的数值分析陈辉 ， 等 第 2 9 卷第 6 期 考虑工作蒸汽压力 P 0 ． 1 5 M P a 、 0 ． 2 5 MP a ， 分 别对应引射蒸汽压力 P 0 ． 0 3 MP a和 0 ． 0 4 MP a 时 喷射器性 能随 混和蒸 汽 出 口压力 变化 规律 见 图 8 。出口压力从一个较低值升高时， 喷射系数没有 太大变化， 基本保持一个定值， 但当超过某一临界值 p 后， 喷射系数急剧下降， 甚至达到负值， 工作状 况非常不稳定。所以喷射器只能在一定的背压范围 内工作 ， 背压低于临界压力 p 时 ， 喷射系数与出 口 背压无关 ， 但超过临界值时， 工作性能急剧下降。同 时还可 以看到 ， 背压 临界值 的大小与工作蒸汽压力 P 和引射蒸汽压力 P 。 密切相关， 当 P 和 P 。 较大 时， 背压临界值亦较大， 喷射器可以工作的背压范围 也较宽 。背压临界值可 以看成是喷射器工作的最佳 背压 ， 在相 同的喷射系数下 ， 可以获得最大的出 口压 力 ， 在实际应用时， 可以取背压略低于临界值 ， 防止 因背压波动而引起喷射系数频繁下降。 U U 白 U 0 1 0 UO g bU b UU ff J 6 U【 段jn【 髓UU U 0 7 5 n 出12 1压力／ Y 2 a 图 8 出口压力对喷射器性能的影响曲线 1 ． P p0． 1 5 MP a ， m o． 0 4 MP a 2． PpO． 2 5 MP a， P hO． 0 4 MP a 3 P p 0 ． 1 5 M P a ， P h O ． 0 3 M P a 4 ． P p O ． 2 5 M P a ， p h O ． 0 4 M P a 5结语 1 用 C F D数值模拟方法研究喷射器是行之有 效的， 可以实现喷射器的内部流场分布以及外部工 况对喷射器性能的影响， 这对于优化喷射器的运行、 降低不可逆损失有重要的意义。 2 工作蒸汽从喷嘴进入吸收室后 ， 速度并非均 匀降低， 而是呈连续地振荡后逐渐下降的趋势； 压力 值并不等于引射蒸汽压力 ， 而是围绕引射压力值连 续波动。速度和压力的连续波动是 由超音速喷嘴出 口射流的斜激波现象引起 的。 3 增加工作蒸 汽的压力可以增大喷射系数 ， 但 是当工作蒸汽压力超过一个临界值后， 继续增加反 而引起喷射系数的下降， 这是因为径向压力差降低 和激波损失加大造成 的。 4 引射蒸汽压力 越大 ， 喷射系数越 大， 但一 般 不能考虑用提高引射蒸汽压力的方法来改善喷射器 的性能 。 5 当混合蒸汽的出口压力低于临界值时， 对喷 射系数没有影响， 喷射系数保持一个固定值。但超 过临界值后， 喷射系数对背压变化极为敏感， 出口压 力稍有变化就能引起喷射器性能的急剧下降。背压 临界值 的大小与工作蒸汽压力以及引射蒸汽压力有 关 。 参 考文献 [ 1 ] A N JH， N E U MA N NEP ． A s i m p l e a i r e j e c t o r[ J ] ． J o u r n a l o f a p p l i e d m e c h a n i c s ，T r a n s A S ME，1 9 4 2 6 4 7 58 1 ． [ 2 ] E L R O D H G． T h e t h e o r y o f e j e c t o r[ J ] ．J o u r n a l o f a p p l i e d m e c h a n i c s ， T r a n s A S ME ，1 945 6 7 A1 7 01 7 4 ． [ 3 ] 索洛科夫 ， 津格尔 ． 喷射器 [ M] ． 北京 科学出版社 ， 1 9 7 7 ． [ 4 ] 徐海涛 ， 桑芝富 ． 蒸汽 喷射式热泵变 工况性能分析 [ J ] ． 热 能动力 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