喷射器理论研究进展

低温与超导 第36卷第ll期 制冷技术 Refrigeration Cryo．＆Supercond． V01．36No．11 喷射器理论研究进展 何曙，李勇，王如竹 (上海交通大学制冷及低温研究所，上海200240) 摘要：简要介绍了喷射器的结构及其工作原理、流体在喷射器中流动和混合的机理。按照热力学和动力学分 析方法，对喷射器的理论研究进行了详细的论述，并将理论分析结果与实验结果进行了对比，指出了各自的优缺 点；对比结果表明动力学分析方法能更为准确的预测喷射器的性能，给出更为详细的信息。 关键词：喷射器；热力学；动力学；性能 Progressintheoreticalresearchonejector HeShu，LiYong，WangRuzhu (InstituteofRefrigerationandCryogenics，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200240) Abstract：Thegeometricalstructure．workingprincipleoftheejecmra8well聃itsflowingandmixingmechanismwere brieflyintroduced．Thetheoreticalinvestigationsonejectorweresummarizedindetailbythermodynamicmethodanddynamic methodincludingtheadvantagesanddisadvantagesofvariousmethods．Alsotheverificationofthetheoreticalresultswithexperi— mentalresultswerepresented．Itindicatesthatthedynamicmethodpredictstheperformanceoftheejectormorepreciselyandof- fersmoreinformationhappeningintheejector． Keywords：Ejector，Thermodynamic，Dynamic，Performance 1 前言 喷射器具有结构简单、无运转部件、安装维护 方便等优点，被广泛应用于气体输送、抽真空及制 冷等领域，但同时也存在着一定的不足，比如抽吸 率较低等。为提高喷射器的性能，近年来许多国 家的研究人员对喷射器进行了深入的研究。 其研究方法可分为试验研究和理论研究。试 验研究周期长、投资大，试验结果受到测试方法和 测量仪表精度的影响。随着计算机硬件及数值计 算方法的发展，越来越多的研究人员采用理论分 析方法来展开研究。用理论分析进行研究具有两 方面的优点：一是它可以提供大量的信息而且费 用低、周期短；另一方面是它可以获得在实验过程 中很难测量的一些参数。 2喷射器工作原理 通过喷嘴绝热膨胀，压力不断降低，速度不断提 高，在喷嘴出口处达到超音速，从而形成一定的真 空，把压力较低的引射流体吸人，两者进入到混合 室中，进行能量和动量的交换并达到均衡。通常 工 流 1 r1●r— 激波 ．／’U m s／ 泓 ＼一一纠 Y 搿 ，，’、 一卜 r ，一 硝 1 厂{Y m 5 ＼．-]+厂 ， l 图1喷射器结构图 Fig．1Schematicdiagramofejectorstructure 喷射器的背压较高，因而超音速的混合流体在扩 散室的人口会产生激波，使混合流体被压缩，压力 升高，流速降为亚音速。流体进人扩散室后，压力 将继续升高，速度进一步降低，在扩散室出口，混合 流体以高于进入抽吸室引射流体的压力被排出。 喷射器的结构如图1所示，主要由喷嘴、抽吸 3 喷射器理论研究进展 室、混合室和扩散室构成。压力较高的工作流体 收稿日期：2008—09一19 作者简介：何曙(1973一)，女，博士研究生，主要研究方向为低品味热利用与节能。 万方数据 ·38· 制冷技术 Refrigeration 第11期 3．1热力学分析方法 热力学分析方法主要采用守恒方程来描述工 作参数和状态参数问的关系；忽略换热过程，其理 论模型相对简单，简化了整个计算过程。为使方 程封闭，通常还需利用等熵关系式、气体动力学关 系式等来描述工质的温度、压力、焓、马赫数等参 数间的关系。大部分热力学模型均采用一维、显 式、稳定状态方程，且认为流体在喷射器中无相变 发生，由此建立的数学模型称为可压缩的单相流 模型。另外，在某些工作情况下，喷射器中存在着 两相流，对此通常采用两相流模型进行分析。 3．1．1单相流 对喷射器建立数学模型进行理论分析可追溯 到1942年，Keenan和Neumann¨1建立了一维的 能量、质量和动量守恒方程来预测喷射器的性能， 从此开创了喷射器理论分析的先河。但其模型很 难对动量守恒方程给出一个合理的分析解，还需 借助大量的实验数据。他们【2】随后对模型进行 了改进，提出了等压混合理论和等面积混合理论， 并指出采用等压混合理论设计的喷射器的性能要 优于等面积混合理论设计的喷射器的性能。因 此，后来的研究者大多采用等压混合理论。 在Keenan和Neumann的研究基础上，Mun． day和Bagster【31进一步假设工作流体流出喷嘴后 没有立即与引射流体混合，而是在下游的某个面 上(如图1的Y—Y面)与引射流体混合，形成引射 流体的“气动喉部”，此时引射流体也被加速到音 速，发生二次壅塞，并认为该“气动喉部”的面积 是恒定的，计算了引射流体达到临界流动时该 “气动喉部”的面积。其理论分析更为接近喷射 器的内部流动规律，但没有考虑内部流动引起的 各项损失，为此Eames[4】、Huang等人”1所建立的 理论模型中考虑了喷嘴、混合室和扩散室中的不 可逆损失。在Eames等人Mo所建立的理论模型 中，其喷嘴、扩散室和混合室中的等熵效率分别为 0．85，o．85和0．95，并通过实验验证了其理论分 析结果，COP的误差在17％以内，且实验值总是 低于理论值，表明所建立模型还有待于进一步改 进。Huang等人【5’建立了一个复杂的一维临界工 作状况的理论模型，并假设工作流体和引射流体 的混合发生在等面积段，且工作流体和引射流体 均为理想气体，其c，和y为常数，并以R141b为 工作介质，用11个不同的喷射器进行了实验来确 定模型中的等熵系数，得出AI／A。，P。／P。，P。’／ t的计算关系式。．另外还发现“气动喉部”的面 积并不像Munday和Bagster【31研究中所表明的是 定值，而是随着工作条件的改变而变化，并指出引 射流体发生壅塞现象对喷射器的性能乃至整个系 统的COP都有很大的影响。 前述研究均将工作流体看作理想气体，且假 定比容和等熵指数等参数为定值。而在实际工作 中，由于流体温度和压力的变化，这些参数也会发 生相应的改变，从而使预测结果的准确性受到影 响。因此Ouzzane和Aidoun【6’建立了基于实际气 体性质的理论模型，考虑热物性参数变化对喷射 器性能的影响。以马赫数为迭代步长，计算出喷 射器内不同位置流体的速度。迭代计算采用的物 性参数均从NIST数据库中读取，并将模型计算结 果同Huang等人【51的实验值进行对比，结果表明 在设计工况下，抽吸率和临界冷凝温度的误差分 别在6％和8％以内，非设计工况下的误差在 13％以内。使预测结果的准确性得到了进一步的 提高。 以上模型建立是基于工作流体和混合流体在 喷射器中发生正激波，但文献[7]的研究表明，在 某些工况下抽吸室或等面积段产生的是斜激波。 为此Zhu等人【81建立了一个二维的激波圈模型， 并将其理论分析结果与文献[5]中的实验结果进 行了对比，表明采用激波圈理论预测的结果更接 近实验数据。与传统的一维模型相比，激波圈模 型由于采用的等式少，所需的等熵系数也少，因此 预测更为准确，更接近实际情况。 3．1．2两相流 实际工作中，流体在喷射器中由于膨胀、压缩 及混合而发生相变。因此在等压混合理论的基础 上，Sherif等人p1建立了两相流模型，工作流体为 两相混合物，通过引入含气率来考虑气液两相的 相互作用，引射流体为过冷或饱和液体，对引射流 体采用伯努利方程来求解流动速度。该模型可用 来预测沿喷射器轴线各热力参数的变化情况。研 究结果表明，工作流体的压力越高，其对应的压缩 比越大，而抽吸率的增幅则逐渐趋缓。 Cizungu等人【10建立了预测喷射器抽吸率的 理论模型，模型从状态参数焓的变化人手，同时考 万方数据 第11期 制冷技术 Refrigeration ·39· 虑膨胀效率和压缩效率对抽吸率的影响。建立的 理论分析模型既可用于单相流喷射器性能预测， 也可用于两相流喷射器性能预测；该模型主要用 来分析抽吸率和相关喷射器几何结构之间的关 系，并将理论分析结果同实验结果进行了对比，其 理论分析结果与实验结果能较好吻合。同时也指 出了喷射器的几何结构对确定其工作参数起着决 定性的作用。 上述模型均是采用有限差分法来分析喷射器 中各点的状态，并且要考虑冷凝(由于相变)、热 量(存在温差)和动量(不同流速)交换、粘性耗 散，在建模时还要预先知道它们之间的相互作用， 从而使模型相当复杂。对此，Deberne等人¨1提 出了一个综合模型，在常规的一维稳定流模型的 质量和动量守恒方程中加入了气泡率、面积收缩 率及凝液率。同时讨论了在气泡率过高和过低两 种情况下的激波情况，由此得出流体在喷射器出 口的状态以及含气率。并将理论分析结果同实验 结果进行了对比，其理论预测误差在15％以内。 3．2动力学分析方法 尽管热力学分析方法的发展为全面了解流体 在喷射器中的流动有很大的帮助，但是该方法却 很难准确地预测喷射器中的局部流动现象。而只 有当对局部的激波与混合边界层的交互作用及其 对混合和压缩的影响有了全面的了解后，才能更可 靠、更精准地设计喷射器，选择合适的工作流体和 最佳工作参数。采用计算流体动力学(CFD)进行 理论分析即可达到该目的而无需花费过高的成本。 由于在喷射器中大都涉及的是超音速流动， 流体在被压缩的同时，还有激波、壅塞、激波与混 合边界层交互作用等复杂的物理现象发生，因此 选择合适的湍流方程对分析结果的准确性至关重 要。鉴于此，Bartosiewicz等人¨1分别采用几种不 同的湍流方程即k一占，realizablek—s，RNGk—F。 RSM和SSTk一∞来分析空气在喷射器内的流动 情况，发现基于Boussinesq假设的k一占，RNGk一 占和SSTk一∞方程由于假设流体各向同性，能够 较快地得到收敛结果，且其预测较为准确；同其它 模型相比，雷诺应力模型(RSM)预测精度更高， 但是计算过程中需要较大内存及更多的CPU时 间，使其应用受到限制。综合权衡下，RNGk～占 和SSTk一∞模型在预测喷射器中的激波、湍流强 度和平均压力变化等方面能提供较合理的结果， 因此大多研究者都采用RNGk—s湍流模型。 对于两相流情况，主要的研究方法有欧拉一 拉格朗日方法和欧拉一欧拉方法。欧拉一欧拉方 法是将不同的相处理成互相贯穿的连续介质，该 方法更加贴近实际流动情况，因而喷射器中的两 相流动力学研究方法多采用欧拉二欧拉模型。其 又分为欧拉模型和混合物模型。 欧拉模型是对各相的动量、质量和能量方程 分别求解，压力项和相间交换系数是耦合在一起 的。在欧拉模型中，通常假定抽吸流体为分散相， 但Yadav和Patwardhan等人¨21的研究表明，当喷 射器为开口朝下，采用高压水抽吸空气时，喷射器 中并没有气泡产生，因此欧拉模型中的表观质量 流速，浮升力等项就都不存在了，在这种情况下， 欧拉模型就不再适用于预测喷射器中的流动。 混合物模型求解的是混合物的动量、质量和 能量方程，并考虑分散相的体积分数。因此研究 人员大都采用混合物模型来求解喷射器中的两相 流流动情况，据此分析喷射器的几何结构对其性 能影响。 4结论 为了预测喷射器的性能，优化喷射器的结构， 研究人员采用理论分析模型对此进行了深入的研 究。热力学分析方法通常用代数方程给出，并假 定系统工作在稳定状态，侧重于计算由于激波引 起的压力变化，分析工作参数及几何参数对喷射 器性能的影响，其主要采用守恒方程，耗散项则通 过引入等熵系数加以考虑。但由于该分析方法没 有考虑局部的激波与混合边界层的交互作用，及 其对混合和压缩性能的影响，因此其分析结果的 准确程度受到一定的影响。 动力学分析方法则侧重分析喷射器中工作流 体和引射流体间的湍流交互作用，激波和反射激 波以及壅塞现象，对流体流动的局部变化情况可 以较为精准地得到模拟和分析，因此其分析结果 更为贴近实际流动状况，分析精度也大为提高。采 用这一方法多用来分析喷射器的几何结构以及工 作参数对其性能的影响，有利于结构的优化设计。 (下转73页) 万方数据 第ll期 制冷技术 Refrigeration ·73· 参考文献 [1]杨燕勤，安志强，经树栋．喉嘴距、面积比和引射压力 对喷射器性能影响的研究[J]．化工装备技术， 2006，27(1)：68—72． [2]毛凯田，经树栋．喷射器的结构改进和流场分析化 [J]．工装备技术，2005，26(1)：58—61． [3]PraitoonChaiwongsa，ScmchaiWongwises．Effeotof throatdiametersoftheejectorontheperformanceofthe refrigerationcycleusingatwo—phaseejector聃觚ex- pansiondevice[J]．InternationalJournalofRefrigera- tion，2007，30：601—608． [4]YaplclR，ErsoyHK，eta1．Experimentaldetermination oftheoptimumperformanceofejector·-refrigerationsys— terndependingonejectorarearatio[J]．International JournalofRefrigeration，2008(Accepted)． 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