两相流喷射器流动模型研究

　　喷射器是由Charles Partson于1901年发明的，1910年Maurice Leblanc第一次将喷射器用于蒸汽喷射式制冷系统[1]。喷射器作为膨胀装置用于亚临界制冷循环是由Kemper和Harper等人在1966年发明的[2]。近年来，随着世界能源局势的日趋紧张，以及制冷空调系统在能源消耗中占的比重日益增大，制冷系统的节能问题又再次引起人们的重视。Harrell[3]用R134a作为工质对两相流喷射器进行了实验测试，结果显示COP比传统制冷循环提高3.9%到7.6%。日本DENSO公司[4]在冷藏车上用喷射器替代膨胀阀后，COP提高了50%。喷射制冷系统性能提高的关键在于喷射器的设计，而合理设计的前提就是弄清喷射器内部流动的机理。

　　压缩/喷射制冷循环各部件连接方式及喷射器的结构分别如图1(a)、图1(b)所示。与传统蒸汽压缩制冷循环相比，它的最大不同是从冷凝器来的高温高压液态制冷剂直接进入喷射器的喷嘴，在喷嘴内加速降压将压力势能转变为动能，从喷嘴喷出的低压高速制冷剂引射从蒸发器来的低压低温气态制冷剂，并在混合室混合均匀后，再在扩压室内减速升压使动能转变为压力势能，从而使从蒸发器来的制冷剂压力升高，在气液分离器内进行气液分离后气态制冷剂进入压缩机，吸气压力高于蒸发压力，液态制冷剂进入蒸发器，更有效地利用了蒸发器换热面积，从而使制冷系统的效率得以提高。

　　在两相流喷射器内，主要的研究对象有两个，一是两相流喷嘴内主射流的发展过程;另一个是喷射器内部混合及扩压段的主射流与引射流的混合及扩压过程，这是最复杂并且对喷射器性能影响最大的过程。这里主要针对后者进行研究，对于喷嘴只给出喷嘴出口的几种可能流动状态，作为喷射器研究中的主射流初始条件。对于喷射器的研究，比较关键的问题是喷射器内部的射流混合过程，目前检索到的关于压缩/喷射制冷循环的文献中还未见到从微观混合机理的角度来研究射流混合过程的，而都是将混合过程看成黑箱，应用质量、动量、能量守恒定律研究混合室进出口的状态变化[5-7]，对主射流与引射流混合室内流动的实际细节并不进行研究，而实际上喷射器混合室中的流动分为两个阶段，即初始混合段和速度均匀段，这两段的细分研究对于喷射器的结构优化设计和性能分析都非常重要。针对喷射器内部射流的流动过程，分段对压力调整、射流混合、均匀和扩压过程进行建模，计算得到引射比和出口背压，并进行了实验测试对模型的有效性进行了验证。

　　1 喷射器内部流动过程分析

　　从喷嘴出来的超音速主射流和从吸气室来的引射流在喷射器内的流动混合过程如图2所示，可分为三个阶段：1)主射流的压力调整过程。由于混合压力一般与喷嘴出口压力不同，从喷嘴出来的超音速流在喷嘴出口会发生激波(混合压力高于喷嘴出口压力)或膨胀波(混合压力低于喷嘴出口压力)，在此期间主射流与引射流的混合作用不明显，而是形成了一个主射流的虚拟管道，经过压力调整后的主射流压力与混合压力相同;2)主射流与引射流的混合过程。主射流高速流入混合室，将引射流卷吸到主射流中，进行动量和能量的传递，同时进行着液滴浓度的扩散，随着射流的发展，主射流和引射流的混合流体边界层厚度逐渐增大，当边界层发展到喷射器混合室的壁面时，由于壁面的限制，混合过程结束;3)混合完毕后的速度均匀过程。由于主射流和引射流的速度不同，混合流体的中心和周围存在速度差异，混合后的流体继续进行着动量传递，直至混合流体的速度分布均匀。速度均匀后的混合流体继续进入扩压室进行压力回升。