水蒸气喷射泵混合室内边界层脱离现象的计算流体力学研究

　　自从1910年Maurice Leblanc制成第一个水蒸气喷射制冷系统以来^[2],水蒸气喷射制冷系统已经提出了很长一段时间,由于其制冷效率比较低,一直未受到足够重视,发展一度受阻。随着自然资源匮乏、环境污染严重等问题的日益凸显,水蒸气喷射制冷系统再度受到研究人员的青睐。因为它仅使用价格低廉的工业废热或完全免费的太阳能等低品质的热源作为动力,且工作介质为水—最环保的制冷剂,对环境完全无害。

　　作为整个制冷系统的核心,喷射泵具有结构简单,无任何回转部件,运行过程无任何磨损,使用寿命长,维护费用低等优点,但其内部流动十分复杂,包括亚音速、超音速流动,因此,对喷射泵内部流动结构的了解是很有必要的。

　　传统实验方法在流场可视化和数据采集方面受到很大限制,而采用计算流体力学(CFD)手段则能很好的解决这些问题^[3],因此被越来越多的人所采用,并且在喷射泵研究领域得到应用^[4-5]。喷射泵结构和对应轴线压力、速度分布如图1^[1]。工作蒸汽通过拉瓦尔喷管后获得超音速气流,喷出喷管后在其周围产生一低压区,压力值低于蒸发器内压力,在压差驱动下,蒸发器内水蒸气被抽入吸入室,在粘性力作用下,两股流体在混合室内混合,经喉部、扩压器排出。

　　不同背压下喷射泵引射系数曲线见图2^[4],将喷射泵工况大致为三部分—临界状态、次临界状态、回流状态。当背压低于临界值时,在其他条件不变情况下,引射系数不受背压影响,保持恒定值;而当背压大于临界值后,抽气率随背压升高急剧下降,很快出现返流。

　　在以往的研究中,大部分研究人员将精力放在了背压低于临界值的正常工况下,对正常工况下喷射器的尺寸、操作条件对引射系数的影响做了研究^[6-8]。而对背压大于临界值的非正常工况的研究却很少,缺乏对这种工况清楚、合理的解释。本文目的是对特定几何参数的喷射泵,通过考察不同背压对喷射泵内部流场结构的影响,加深对背压与流场结构以及泵抽气特性关系的理解。

　　1 数学模型

　　1.1 控制方程

　　水蒸气喷射器内部流动形式视为可压缩、定常、轴对称形式。对于变密度的流动,首选是N-S方程。同时采用考虑黏性耗散,且与真实气体状态方程相耦合的能量方程。据此,控制方程可写成如下形式质量守恒方程

　　动量守恒方程

　　能量守恒方程

　　其中

　　式中,τij为应力张量,ε为总能,Aeff为有效导热系数,αeff为有效分子动力粘度。