PDF《喷射器结构改进方法及其 CFD 分析》

低温与超导 第37卷第1期 制冷技术 R efrigeration Cryo .

&

Supercond . Vo. l

37 No .

1 收稿日期: 2008- 12-

08 作者简介: 郭建 ( 1973- ), 男, 博士研究生, 主要研究方向为太阳能热利用及建筑节能. 喷射器结构改进方法及其 CFD分析 郭建, 沈恒根, 梁珍, 孙明明 (东华大学环境科学与工程学院, 上海 201620) 摘要: 给出了一种新的喷射器设计方法: 等马赫数梯度法, 并对其设计方法进行了详细地介绍.在相同的面积 比, 相同的工作条件下同传统的一维设计方法设计的喷射器的性能进行了对比.结果表明, 与传统设计方法相比, 采用本文提出的等马赫数梯度设计的喷射器, 可有效消除在扩压室入口处产生的激波, 减少由于激波所产生的不 可逆损失, 使喷射器的性能得到了大幅度地提高. 关键词: 喷射器;

等马赫数梯度;

抽吸率;

激波 Improve m ent on ejector design and CFD m odelling Guo Jian, Shen H enggen, L iang Zhen, Sun M ingm ing ( School of Environm ental Science and Engineering, Donghua Univers ity , Shanghai 201620, China) Abstract : A ne w approach for ejector design based on constantM ach number grad ientw as dep icted in detai.l Theoretical a - nalysis and comparisons indicate that the perfor m ance of the ejector designed by the proposed m ethod is greatly i m proved over that designed by conventionalm ethod . Co m pared w ith trad itional ejector , the profile of the ejector designed by the constant M ach number grad ient changesm ore slow ly wh ich causes the flu id to be better attached on thew al,l also the passage eli m inates the oc - currence of shock w ave at the inlet of the diffuserwh ich causes themain irreversib le energy loss in the trad itional ejector . H ence , the perfor m ance of the new designed ejector is greatly i m proved . K eywords : E jector , Constan tM ach num ber gradien t , Entrainm ent ratio , Shock

1 前言 喷射器以其结构简单、 成本较低、 工作可靠、 安装维护方便、 密封性好、 可利用低品位热源驱动 等优点在石油、 化工、 医药、 冶金、 制冷等行业得到 了广泛的应用 [ 1- 4] , 但其也存在着一些不足之处. 与目前广泛应用的蒸汽压缩式制冷系统相比, 喷 射式制冷系统的 COP 不高, 使其大面积推广应用 受到一定的限制.而作为喷射制冷系统的关键部 1. 喷嘴;

2. 混合室;

3. 扩压室 图1喷射器结构简图 Fig .

1 Sche m atic d iagra m of ejector 件之一的喷射器 (见图 1), 其性能的优劣直接影 响到整个系统的制冷效果. 大量的研究表明, 按现有方法设计的喷射器, 工作流体经缩放喷嘴加速降压, 在喷嘴出口会产 生膨胀波, 经两股流体间的混合层反复反射而沿 流动方向传递, 并不断地衰减直至被耗尽;

当工作 流体与引射流体混合后, 混合流体在扩压室入口 会产生激波, 超音速流经激波的压缩而使压力增 大, 速度降低, 然后经扩压室进一步增压降速, 直 至压力达到出口背压, 以保证顺利流出.然而激 波的存在会导致极大的不可逆损失, 从而降低了 喷射器的性能.为减少或避免由激波所导致的不 可逆损失, 本文提出了一种新的喷射器设计方 法)等马赫数梯度法来设计喷射器的壁面型线, 通过喷射器壁面结构的合理变化, 使流体在喷射 器中均匀增速或减速, 使流体向前流动过程中能 更好地贴附壁面, 减小涡流损失, 也避免速度的突 然变化和激波的产生, 从而极大地提高了喷射器 的性能.

2 设计方法描述 喷射器等马赫数梯度设计主要针对喷射器中 截面面积发生变化的部分进行设计, 包括喷嘴的 渐缩和渐扩部分、 混合室渐缩部分和扩压室.在 喷射器的变截面通道部分, 其横截面积及压力随 马赫数变化满足如下等式: Ai+

1 Ai = M ai M ai+

1 1+ C -

1 2 M a

2 i+

1 1+ C -

1 2 M a

2 i C +

1 2( C - 1) ( 1) P i P i+

1 = 1+ C-

1 2 M a

2 i+

1 1+ C-

1 2 M a

2 i r r -

1 ( 2) d M a dx = const ( 3) 式中 A 为横截面面积, m

2 ;

下标 i表示各截面 所在的几何位置;

C为绝热指数, kJ/( kg. K );

M a 为马赫数;

P 为压力, M Pa 为了计算喷射器整体尺寸, 仍沿用热力学模 型中的方程来求解必要的参数, 并做如下假设: ( 1)流体在喷射器内进行一维稳态流动;

( 2)在喷 射器入口处, 工作流体、 引射流体均为饱和状态, 忽略喷射器入口和出口的动能;

( 3) 流动及混合 过程中的不可逆因素以各自的效率表示;

( 4)在 在喷嘴出口与喉管入口之间的某截面 y- y处引 射流体达到临界状态, 且开始与工作流体混合;

( 5)喷射器内的流动为绝热等熵流动.

2 .

1 基本方程 在等熵流动情况下, 工作流体和引射流体满 足如下方程: ms = Qc hl - hg , mp = ms X ( 4) A = m P TR ( C +

1 2 ) ( C+ 1) / ( C-

1 ) /C G ( 5) 式中: m 为质量流量, kg/s;

Qc 为制冷量, k W;

h为工质焓, kJ/kg ;

X为抽吸率;

T 为温度, K;

R 为 气体常数, kJ /( kg. K );

G 为等熵系数, 对于工作 流体, G= 0.

95 , 对于引射流体, G=

0 . 85.各下标 的意思为: p 表示工作流体, s表示引射流体, l表 示液相, g表示气相. 在混合面上 (假设为 y- y面, 该面上工作流 体的相应参数用下标 py表示, 引射流体的参数用 sy表示 )工作流体和引射流体的工作参数可由如 下公式计算: Tg Tpy = 1+ C-

1 2 M a

2 py ( 6) Te Tsy = 1+ C-

1 2 M a

2 sy ( 7) Vpy = M apy C RTpy ( 8) Vsy =M asy C RTsy ( 9) 根据动量平衡和能量平衡, 可知, U m [mp Vpy + ms Vsy ] = (mp + ms )Vm ( 10) mp (Cp Tpy + V

2 py

2 ) + ms (CpTsy + V

2 sy

2 ) = (mp + ms ) (Cp Tm + V

2 m

2 ) ( 11) 由马赫数的定义可知, 混合流体的马赫数为: M am = Vm C RTm ( 12) 式中: V表示流速, m /s ;

U m 为摩擦损失系数, 其取值参照文献 [ 4]中的方法, Cp 为定压比热, kJ /( kg. K ).下标 g表示发生温度下的参数, e表 示蒸发温度下的参数, m表示混合流体参数.

2 .

2 计算结果 表1喷射器几何尺寸 ( 单位: mm ) Tab .

1 Geo m etrical s izes of the ejector 参数 dt dp1 dm dd Am /At 本文设计喷射器 0.

59 0.

74 1.

62 5.

39 7.

54 文献 [ 6]中喷射器 0.

5 0.

8 1.

4 2.

6 7.

84 图2不同设计方法的型线对比 F ig .

2 Comparison of the profile #

64 # 制冷技术 R efrigeration 第 1期 根据上述方法计算出的喷射器几何结构具体 尺寸如表 1所示.按照等马赫梯度和传统一维设 计方法所设计的喷射器扩压段型线对比详见图

2 .

3 数值模拟

3 .

1 控制方程及计算方法 为了验证该方法的可行性和有效性, 本文利 用数值模拟方法对采用传统一维设计方法和等马 赫梯度设计方法设计出的喷射器进行了数值模 拟, 使用 Gambit

2 . 2和FLUENT

6 . 3对喷射器进 行建模和求解.选用二维轴对称模型, 采用网格 自适应技术来捕捉激波, 获得与网格密度无关的 解.由于喷射器中是超音速高速流动, 因此选用 比/standard J- E 0模型具有更好预测性能的 / re - alizab le J- E0模型 [ 5] .选择 / coupled - explicit0 求解器以期同时获得速度、 压力和温度等变量. 近壁处处理采用标准壁函数法.工质采用 R134a 制冷剂蒸气, 计算时采用真实气体模型.工作流 体和引射流体的入口均采用压力入口, 出口为压 力出口边界条件.为便于对比分析, 本文还采取 了文献 [ 6]中所提供的喷射器进行了对比计算, 所选用的喷射器的结构尺寸如表 1所示.

3 .

2 计算结果分析与讨论 图3中心轴线上的压力分布 Fig .

3 Pressure d istribution along the central axle 采用两种不同设计方法得到的中心轴向上的 压力分布详见图

3 .从图中可以看出, 与传统的 设计方法相比, 由于采用等马赫数梯度方法设计 出来的扩压室其扩散角缩小了, 实现了喷射器中 速度的均匀变化, 从而使扩压室中的压力也是逐 步升高的, 从而避免了扩压室入口处激波的产生. 与传统的喷射器相比, 这一设计方法消除了由于 激波的存在而产生的不可逆损失, 使混合流体的 速度能向压力能转化的效率更高, 从而更有利于 喷射器中混合流体的排出, 有效地提高喷射器的 工作性能. 另外, 从图 4( a)和(b)中两种不同设计方法 的喷射器内流体流动的马赫数分布云图也可以进 一步论证上述观点.从图 4( a)传统设计喷射器 中流体流动的马赫数分布云图可以看出, 在扩压 室入口有明显的正激波发生, 而图 4( b)采用等马 赫数梯度设计扩压室, 在相同工作情况下, 其扩压 室入口就没有激波产生, 轴线上的速度衰减较慢. ( a)一维设计方法 ( b)等马赫梯度设计方法 图4马赫数分布云图 F ig .

4 M ach number distribution in the ejector 图 5给出了本文计算结果同文献 [ 6]实验数 据的对比.该图也进一步印证了采用等马赫数梯 度设计的喷射器的有效性, 由于采用了等马赫数 梯度方法设计喷射器, 使喷射器壁面渐缩、 渐扩部 分型线变化更加平缓, 从而使得流体向前流动时 更好地贴附在壁面上, 减小了流体与壁面之间的 涡流损失;

从图中可以看出, 当发生温度高于 72e 后, 采用等马赫数梯度设计的喷射器的喷射 系数比传统喷射器提高 18%左右, 可有效地提高 了喷射器的效率.另外不难发现, 对于给定的喷 射器, 在给定的结构参数下, 存在着一个最佳工作 点, 当发生压力低于最佳值, 随着工作压力的进一 步降低, 工作蒸汽产生的动能不足以带动引射流 #

65 # 第 1期 制冷技术 Refrigeration 体流动, 导致混合流体在出口出现回流, 喷射器的 工作性能恶化, 喷射系数迅速降低.当发生压力 超过最佳压力点并继续增大时, 由于动能的不可 逆损失增大导致工作流体携带能力降低, 从而造 成喷射系数下降. 图5喷射系数随发生温度的变化 F ig .

5 Variety of entrainm en t ratio w ith generator te m perature

4 结论 本文提出了一种新的喷射器设计方法 ) 等马 赫数梯度法.在相同的面积比, 相同的工作条件 下同传统的一维设计方法设计的喷射器的性能进 行了模拟与对比.采用本文提出的等马赫数梯度 设计的喷射器具有两方面的特色: 一是渐缩、 渐扩 部分由于采用了流线型设计, 从而减少了混合过 程中的不可逆损失, 有效增大了工作流体和引射 流体之间的能量与动量交换;

二是消除传统喷射 器中发生在扩压室入口处的激波, 从而减少由于 激波所产生的不可逆损失, 因此, 采用等马赫数梯 度设计的喷射器, 其性能得到了大幅度地提高. 参考文献 [ 1]金良安, 刘学武, 李志义, 等. 利用喷射器回收原油挥 发气的装置及其应用实例 [ J]. 机械工程学报, 2003, 39( 4): 155- 158. [ 2] 潘琦, 许鹏先, 李大明, 等. 节能型气体干燥装置用喷 射器 [ J] . 流体机械, 2008, 36( 2): 61-

64 . [ 3] A lexis G K, K arayiannis E K. A solar ejector cooling syste m using refrigerant R134a in the Athens area [ J].........