蒸汽喷射器的CFD 数值模拟及其性能

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第３１卷第３期东北大学学报（自然科学版）Vol畅３１，No．３２０１０年３月JournalofNortheasternUniversity（NaturalScience）Mar．２０１０蒸汽喷射器的CFD数值模拟及其性能１１，２３３张琦，霍杰鹏，王汝武，王园（１．东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳１１０００４；２．华南理工大学化学与化工学院，广东广州５１０６４０；３．沈阳飞鸿达节能设备有限公司，辽宁沈阳１１００１５）摘要：根据喷射器的结构特点，建立了蒸汽喷射器二维CFD模型，研究了工作参数（工作流体压力、引射流体压力和混合流体压力）和结构参数（混合室收缩段长度、等截面混合室长度和直径、扩压室长度和工作喷嘴结构等）对蒸汽喷射器性能的影响·研究表明：①等截面混合室长度和直径、工作喷嘴喉部直径以及喉管面积比存在使喷射系数达到最大φ的最佳值；②CFD不仅是预测喷射器性能的有力工具，而且使人们更加清晰地了解喷射器内流动和混合过程·关键词：蒸汽喷射器；性能；数值模拟；CFD；节能中图分类号：TF４文献标志码：A文章编号：１００５-３０２６（２０１０）０３-０３９８-０４CFD-BasedNumericalSimulationofSteamEjectorandItsPerformance１１，２３３ZHANGQi，HUOJiepeng，WANGRuwu，WA-NGYuan-（１．SchoolofMaterials&Metallurgy，NortheasternUniversity，Shenyang１１０００４，China；２．SchoolofChemistryandChemicalEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou５１０６４０，China；３．ShenyangFeihongdaEnergyConservationEquipmentTechnologyDevelopmentCo．，Ltd．，Shenyang１１００１５，China．Correspondent：ZHANGQi，E-mail：neu－zq＠１２６．com）Abstract：Basedontheconstructionofanejector，a２-DCFDmodelofthesteamejectorwasdevelopedtoinvestigatetheinfluenceofitsoperatingparametersincludingoperating，drivingandmixedfluidpressuresandconstructionalparametersincludingthelengthofcontractionsectionofmixingchamber，lengthanddiameterofsecondthroat，lengthofdiffusionchamberandconstructionofprimarynozzleontheperformanceofasteamejector．Simulationresultsindicatedthattheoptimalormaximumjetcoefficientdependsonthelengthanddiameterofsecondthroat，diameterofprimarynozzlethroatandthearearatioofprimarythroattonozzlethroat（）．CFDisthusprovedapowerfultooltopredictthepropertiesofejectorand，what’smore，itcanbeusedtomakesureoftheflowing／mixingprocessofthefluidinejector．Keywords：steamejector；performance；numericalsimulation；CFD（computationalfluiddynamics）；energysaving［７－８］蒸汽喷射器是一种利用高压蒸汽抽吸低压蒸和混合过程的有力工具，能准确反映出喷射汽的流体混合装置，该装置将两种不同压力的流器内部的工作过程，从而使喷射器的性能得到改体相互混合，并发生能量交换，形成一股居中压力善·因此，本文结合工程实例使用CFD对蒸汽喷的混合流体·由于其不直接消耗机械能，就能将低射器进行模拟，分析其结构参数和工作参数对喷品位的热能转化为高品位的热能，从而达到节能射器性能的影响，为设计提供理论依据·的目的，因此，在动力、石化、冶金、轻工、制冷等领［１］１喷射器工作原理域得到了广泛的应用·近年来，国内外许多专［２－６］家、学者对喷射器进行了大量的研究·CFD喷射器的主要构成有：工作喷嘴、接受室、混合数值模拟也已被证实是了解和分析喷射器的喷射室和扩压室等，如图１所示·其工作原理是：高压蒸收稿日期：２００９-０８-２６基金项目：国家高技术研究发展计划项目（２００８AA０４２９０１，２００９AA０５Z２１５）·作者简介：张琦（１９７７－），男，山西大同人，东北大学讲师，博士后研究人员· 第３期张琦等：蒸汽喷射器的CFD数值模拟及其性能３９９汽作为工作流体进入工作喷嘴并以很高的速度进行能量交换，形成一股压力居中的混合流体·随后，入接受室，从而在喷嘴出口处产生低压区，在此区混合流体在扩压室内动能不断转化为静压能和热对引射蒸汽产生抽吸作用，由于射流边界层的湍流能，压力逐渐升高，速度减慢并逐渐均衡，从而提高扩散作用，在混合室内与周围的引射蒸汽混合并进引射流体的压力不直接消耗机械能·图1喷射器工作示意图Fig．1Schematicofasteamejector采用密度基求解器（density-basedsolver）及自适２CFD模型的建立应网格方法（gridadaptive）来捕捉激波·本文所建立的喷射器CFD模型的结构尺寸３结果分析见表１·使用Gambit２．２和FLUENT６．３作为网格生成器和CFD求解器·选择的湍流模型是可实3．1工作参数对喷射系数的影响现性Realizablek模型·-ε喷射器的工作参数有工作压力、引射压力和混合蒸汽出口压力·前两者的增大都可以提高喷表1蒸汽喷射器的主要结构尺寸Table1Maindimensionsofsteamejectormm射系数（Rm，以下同），但一般受到工作条件的制工作喷嘴喉部直径１７．３约，因此，不作为提高Rm的主要手段·本文主要工作喷嘴入口截面直径１３０研究混合蒸汽出口压力变化对Rm的影响，其影工作喷嘴出口截面直径２８．１工作喷嘴渐缩段长度５６．２响规律是在保持工作蒸汽进口和引射蒸汽进口压工作喷嘴渐扩段长度６４．８力不变的情况下，模拟其变化对Rm的影响·混合室入口截面直径３２５Eames等根据实验研究得出，混合蒸汽出口圆柱型混合室截面直径６７倡扩压室出口截面直径２００压力存在一个临界背压值pmix，在这个压力下喷［９］倡混合室渐缩段长度１１０射器的效率最大·当出口压力pmix＜pmix，在混等截面混合室长度４０２合室内流体的流动出现壅塞现象，喷射器能吸入扩压室长度８００等量的引射流体，这导致整个区域的Rm保持恒定，这个性质叫做喷射器的“定容性”·当pmix＞喷射器CFD模型的计算域和网格如图２所倡示，其中采用了多块网格技术，对喷嘴喉部和混合pmix时，Rm随出口背压的增大迅速下降直至到室处的网格进行了适当的加密·零，使喷射器失去工作能力，这是由于激波上移到混合室并扰乱工作流体和引射流体的混合过程·图３为本文模拟的喷射器混合流体出口压力对图2喷射器CFD模型的计算域和网格Fig．2CalculationdomainandgridpatternoftheejectorCFDmodel以水蒸气作为工质，并将蒸汽进出口设为压力进口和压力出口，其中，工作蒸汽压力为０畅９８MPa，温度２７６℃，引射蒸汽压力０畅０９７MPa，温图3混合流体出口压力对喷射系数的影响度９０℃，混合蒸汽压力０畅１５MPa，温度１６７℃·Fig．3Effectofmixedfluidjetpressureonjetcoefficient ４００东北大学学报（自然科学版）第３１卷Rm的影响，这与Eames的实验结果是相符合长或过短时都会使引射流体流量降低，这是因为［９］当混合室收缩段过长时，扩张的混合射流对收缩的·一般来说，混合蒸汽出口压力由工作环境所段的壁面有冲击并产生回流，因此使Rm降低；当决定，为保证喷射器能够稳定运行，在设计时，应混合室收缩段过短时，扩张的混合射流与一部分选择实际运行时可能达到的最高出口压力为设计未混合的引射蒸汽一同进入等截面混合室，由于中采用的临界出口压力，这样可以保证运行时，即这部分低压引射蒸汽的作用，部分混合流体分离使出口压力有波动，喷射器仍能够稳定运行·本文并回流，使Rm降低·因此，存在一个合适的混合模拟的蒸汽喷射器设计的混合蒸汽出口压力是室收缩段长度值使混合射流完全进入等截面混合０畅１５MPa·室而不冲击壁面，使Rm达到最大值·3．2混合室收缩段长度的影响3．3等截面混合室直径的影响从模拟结果可知，在工作参数一定时，混合室等截面混合室直径（Dst，以下同）对Rm的影收缩段长度存在一个最佳值使Rm最大（图４）·响，也存在一个最佳的Dst取值范围使Rm达到最这是由于在混合室收缩段，高速的工作蒸汽和引大·随着Dst的减小，马赫数等值线不断向等截面射蒸汽互相碰撞并混合，因此造成一定的能量损混合室出口移动，并越来越密集，最终形成一个激失·此外，混合蒸汽由于射流流动分离和与壁面的波波阵面，这个激波波阵面的存在对Rm产生非碰撞也会产生局部回流，阻碍了工作蒸汽的抽吸常不利的影响，如图５a·因激波是强压缩波，因此作用·混合室收缩段长度对引射流体流量影响较经过激波的气流参数的变化是突跃的，而且蒸汽大，而对工作流体流量的影响则不明显，当该段过在经过激波时受到强烈且突然压缩，使气体内部出现剧烈的摩擦和热传导，造成极大的动量损失，从而影响到喷射器的工作效率·如图５b所示，Dst＝３７mm时，速度出现突跃，这时壁面静压也出现了突降，这是激波波阵面所导致的·而Dst在４７～６７mm这个范围内，混合蒸汽在等截面混合室出口处速度达到均衡，随着直径增大，速度降低、静压升高，说明对于较大的Dst，混合流体更图4混合室长度对喷射系数的影响多地把动能转化为静压能，但在这个转化过程中Fig．4Effectoflengthofmixingchamberonjetcoefficient能量的损失却是不断增大的，而且等截面混合室所起到的作用也是不断减弱，使Rm不断降低·图5不同等截面混合室直径下的马赫数分布图和壁面静压分布图Fig．5Machnumberdistributionsandstaticpressuredistributionsalongtheejectoraxis（a）—马赫数分布图；（b）—静压分布图·3．4工作喷嘴喉部直径的影响类似·这里工作喷嘴喉部直径和等截面混合室直在保持工作喷嘴的出口截面积与喉部截面积径存在一个比值关系，定义为喉管面积比，表达比值不变的情况下来模拟工作喷嘴喉部直径式为２（Dnt，以下同）对Rm的影响规律，也存在最佳的Dst＝２·Dnt使Rm达到最大值，与Dst对Rm的影响比较Dnt 第３期张琦等：蒸汽喷射器的CFD数值模拟及其性能４０１不同Dst和Dnt影响下的对φRm的影响见参考文献：图６·可见，在＝９畅φ１９时，对于变喷嘴喉部截面积的情况，Rm达到最大，而对于变等截面混合室［１］索格洛夫，津格尔·喷射器［M］·北京：科学出版社，１９７７·（SkolovER，ZingerNM．Jetejector［M］．Beijing：Science截面积的情况，Rm也在最大值取值范围之内·因Press，１９７７．）此，喉管面积比是喷射器φ的重要的结构参数，［２］季建刚，倪海，黎立新，等·蒸汽喷射压缩器的变工况特性它与Rm呈类似抛物线的关系，即在某固定的工模拟和分析［J］·化工学报，２００８，５９（３）：８５４－８５７·作参数下，总存在一个最佳的值，使Rmφ达到（JiJian-gang，NiHai，LiLi-xin，etal．Performance最大·simulationandanalysisofsteamejectorunderdifferentoperatingcondition［J］．JournalofChemicalIndustryandEngineering，２００８，５９（３）：８５４－８５７．）［３］KeenanJH，NeumannEP．Asimpleairejector［J］．ASMEJournalofAppliedMechanics，１９４２，６４：７５－８２．［４］ChangYJ，ChenYM．Enhancementofasteam-jetrefrigeratorusinganovelapplicationofthepetalnozzle［J］．ExperimentalThermalandFluidScience，２０００，２２：２０３－２１１．［５］NeveRS．Computationalfluiddynamicsanalysisofdiffuserperformanceingas-poweredjetpump［J］．InternationalJournalofHeatFluidFlow，１９９３，１４（４）：１５６－１６４．图6变等截面混合室截面积和变工作喷嘴喉部截［６］华敏·蒸汽喷射器特性的CFD分析与节能应用研究［D］·面积下的喉管面积比对喷射系数的影响南京：南京工业大学，２００５·Fig．6Effectofthearearationofprimarythroat（HuaMin．CFDanalysisonperformanceofsteamejectorandtonozzlethroatonjetcoefficientitsapplicationinsavingenergytechnology［D］．Nanjing：４结论NanjingUniversityofTechnology，２００５．）［７］SriveerakulT，AphornratanaS，ChunnanondK．Performance１）根据模拟结果，得出混合蒸汽出口压力存predictionofsteamejectorusingcomputationalfluiddynamics：在临界背压值，设计时应小于该值；混合室收缩段part１validationoftheCFDresults［J］．InternationalJournalofThermalScience，２００７，４６：８１２－８２２．长度、等截面混合室直径、喷嘴喉部直径等均存在［８］VargaS，OliveiraAC，DiaconuB．Numericalassessmentof最佳值，使喷射器的效率最大；喉管面积比是φsteamejectorefficienciesusingCFD［J］．International喷射器的重要的结构参数，它与喷射系数的关系JournalofRefrigeration，２００９，３２（６）：１２０３－１２１１．呈一个类似抛物线的关系·［９］EamesIW，AphornratanaS，HaiderH．Atheoreticaland２）可以利用CFD模拟的快速、灵活和成本experimentalstudyofasmall-scalesteamjetrefrigerator［J］．低廉等特点，对喷射器的结构尺寸做更多的改进，InternationalJournalofRefrigeration，１９９５，１８（６）：３７８－３８６．使喷射器性能得到改善·