喷嘴位置对喷射器的性能影响的研究

    1 引言

    随着节能的重视,喷射式制冷由于可以利用废热、余热、太阳能等低品位能源而成为研究重点。作为喷射式制冷系统的核心部件,一个世纪以来,喷射器从理论研究到后来的实验研究,其设计理论得到了很大的发展与改善。但是目前,喷射式制冷依然面对喷射系数小,使得制冷系数不高的现状,所以研究一个高效的喷射器非常重要。喷射器作为一个加工精度要求非常高,材料要求比较苛刻的设备,给实验研究带来了很大的不方便。对于一个成型的喷射器,在实验研究中,很难通过改变喷嘴的几何参数来研究喷嘴位置对性能的影响。随着计算机水平的发展, CFD模拟技术被引入研究之中,来代替实验研究,本文采用Fluent612对喷射器进行模拟,以获得喷射器在相同工作参数下,改变喷嘴的位置对喷射器的性能影响。

    2 模型的建立

    喷射器的设计理论早在1950年就有Keenan etal1建立了一维喷射器的设计理论[1],此理论一直运用在后来的喷射器设计中。但是受到当时的技术条件约束,运用此理论设计的喷射器,不能描述喷射器的实际流场,也不能对喷射器的边界层流动和激波的相互影响进行描述。对于这些问题, CFD技术是一种有效的解决方法。CFD技术在20世纪90年以后被广泛采纳,在发展研究中,科技工作者们提出了一系列的湍流模型[2,3],有k-E模型、理想k-ε模型、RNG-k-ε模型、RSM模型和两种k-ω模型,模拟结果与实验结果相比较, k-ε模型的误差最小,也就被认为是喷射器模拟中最有效的模型。

    标准的k-E模型中雷诺应力为:

    其中涡粘性系数为:

    雷诺应力式中引入的新变量k(湍动动能)、ε(耗散率)用k-ε模型来封闭。

    k方程:

    其中:为湍动能,为湍动能的耗散项,为涡粘性系数,为湍动能生成项;式中脚标j可取值为1,2, 3表示x, y, z三个空间坐标,j脚标在一项中重复时称求和标,表示三项求和。

    标准k-ε模型有关参数见表1。

    k、ε方程与连续性方程、动量方程就构成了完全封闭的不可压缩粘性流体湍流流动的控制方程组。

    3 CFD模拟结果与讨论

    喷射器是一个结构简单但是内部流动复杂的设备,同时,喷射器的尺寸又相对的微小,所以在喷射器模拟设计时对网格处理有很高的要求。喷射器的喉部流动、制冷剂从喷嘴出口和引射蒸汽相混合的过程、扩压段前的激波现象都是非常复杂的流动过程,所以在喷射器的模拟过程中,这些地方的网格划分格外重要,要考虑流场的需要。由于喷射器是一个轴对称的设备,可以将喷射器简化为二维轴对称结构[4,5],考虑分析流场的需要,将喷射器分为8个区,划分四边形结构化网格如图1所示。