喷嘴距对水蒸汽喷射泵工作性能的影响分析-论文.pdf

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1、第24卷第8期长春大学学报Vol_24No．82014年8月JOURNALOFCHANGCHUNUNIVERSITYAug．2014喷嘴距对水蒸汽喷射泵工作性能的影响分析林丽生，廖国进(1．湄洲湾职业技术学院机械工程系，福建莆田351254；2．辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁锦州121001)摘要：利用流体力学计算软件FLUENT对水蒸汽喷射泵的工作性能进行数值模拟，通过合理的模型假设与简化，对计算模型进行网格划分与求解，从而得到水蒸汽喷射泵的内部流体流动形态和引射系数。保持工作参数和其它几何参数不变，仅改变喷嘴距的大小，

2、模拟计算出水蒸汽喷射泵在不同喷嘴距下的引射系数，根据引射系数和内部流场的变化情况，分析其影响规律，从而找出较好的喷嘴距取值范围。关键词：水蒸汽喷射泵；FLUENT；数值模拟；喷嘴距中图分类号：TP391．9文献标志码：A文章编号：1009—3907(2014)08—1043—05O引言水蒸汽喷射泵是一种利用水蒸汽的高速射流来抽吸低压流体的装置，其结构简单，对被抽介质没有严格要求，在石油化工、食品、制冷等领域广泛应用。其内部流体的流动形态复杂，用简单的一维、二维理论进行描述，精确性容易受到限制¨j。数值模拟作为有效仿真途径之一，通过

3、计算水蒸汽喷射泵的喷射过程可以形象地看到流场的各种细节，如激波的产生强度、涡流的生成与传播等，因而被国内外一些学者所广泛应用。他们对水蒸汽喷射泵已做了大量研究，结果表明水蒸汽喷射泵的几何参数对其工作性能有很大影响，而喷嘴距(即喷嘴出口与混合室入口之间的距离)是其中关键参数之一[。胡湘韩、陆宏圻、杨燕勤]、孙殿雨]、王常斌、徐海涛和K．Pianthongl9等人从理论和实验方面研究了喷嘴距对水蒸汽喷射泵工作性能的影响，都确定了在一定的设计工况下，存在最优的喷嘴距对应于最大的引射系数，但最优喷嘴距尚无定论。基于现状，本文首先应用FLU

4、ENT软件对水蒸汽喷射泵的内部流场和性能进行数值模拟，其结果与Sriveer—akulT_】。。等人的实验结果吻合较好，由此证实了数值模拟的可靠性。在此基础上，分别计算了水蒸汽喷射泵在不同喷嘴距下的引射系数，以工作蒸汽消耗量最小为目标，研究了喷嘴距的变化对水蒸汽喷射泵工作性能的影响规律，从而找出了比较合理的喷嘴距范围。1水蒸汽喷射泵的数值模拟1．1模型结构及尺寸计算模型的结构及尺寸如图1所示(单位：mm)。K．Pianthongl9等人研究表明，三维模型与二维模型的计算结果并无实质性的差异，因此在本文中，采用二维模型进行计算。鉴于

5、在混合室人口截面处被抽气体的速度与工作蒸汽速度相比甚小，故可将被抽气体的侧向人口简化成轴向环形入口。其中，PKD就是本文所要研究的喷嘴距。1．2控制方程稳态可压缩流体流动满足如下积分形式的N—S方程：+(F(1)V其中、F以及G的向量表示形式如下：收稿日期：2014-05-08作者简介：林丽生(1986一)，女，福建莆田人，助教，硕士研究生，主要从事过程装备技术及优化方面的研究。第8期林丽生，等：喷嘴距对水蒸汽喷射泵工作性能的影响分析心轴静压曲线和固体壁面静压分布。从图3(b)的喷嘴段和混合室入口段中心轴静压变化曲线可以看出，当高

6、压工作蒸汽通过喷嘴收缩段时，亚音速流体加速到音速，同时在喷嘴喉管中发生阻塞现象，通过喷嘴渐扩段时，工作蒸汽膨胀加速到超音速。渐缩混合室第二喉管中的阻塞现象流体(a)马赫数等值线图出斑(b)喷射泵静压分布工(e)波系结构图3喷射泵内部流体的流动形态当工作蒸汽经喷嘴出口时继续膨胀加速，在静压力作用下向四周扩散，引起第一系列膨胀波和压缩波，其波系结构如图3(c)所示。在喷嘴出口处，工作蒸汽两外边界线形成扩散角，扩散角内是一系列膨胀波(虚线表示)，经工作蒸汽边界层反射，膨胀波逐渐变成压缩波(实线表示)，压缩波(实线表示)又经边界层反射变成

7、膨胀波(虚线表示)，⋯⋯激波以这种膨胀波与压缩波相互交替的形式向前传播。膨胀波与压缩波的交替形成“钻石波”，同时在第一个“钻石波”中间形成射流核心区，波的内边界线与工作蒸汽外边界线形成射流边界层。由于波能量的损失，随着波的传播，波的强度逐渐减小。这点也可以从图3(b)看出，流体在混合室里中心轴静压曲线的起伏强度由强变弱，到第二喉管后中心轴静压值逐渐趋于稳定，也就是波逐渐消失。工作蒸汽在喷嘴出口膨胀形成低压，被抽气体通过渐缩混合室卷人，由于工作蒸汽和被抽气体之间有较大的速度差距，所以两股流体中间会产生剪切压力层，被抽气体与工作蒸汽开

8、始在有效环面积中进行剪切混合，混合过程与流体粘性导致“钻石波”强度逐渐减弱，如图3(a)所示。工作蒸汽射流边界层逐渐变厚，并在第二喉管中发生阻塞现象。穿过第二喉管一段距离后，混合流体继续减压增速，在第二喉管出口处产生第二次激波，如图3(a)所示。从