使用量纲一参数进行喷射器性能分析

    0　引　言

    喷射器是一种在工业领域中应用非常广泛的流体机械,其效率对工业领域能源利用效率的影响非常大.以水蒸气为工质的喷射器,如蒸汽喷射式冷机、蒸汽热泵等,在废汽、余热利用上,有着广泛的实际应用价值[1、2].因此,对其机理的研究得到许多学者的关注.对喷射器研究的工作主要体现在两个方面,一是研究工作参数和结构对喷射性能的影响,主要方法是实验或建立在一维等熵假设基础上的数值分析,往往是针对具体的参数和结构来展开的,可以满足具体的应用需要,不具有通用性;另一方面是捕捉喷射器内部复杂的流动过程,从机理上分析影响喷射器性能的原因,这方面的工作很少,随着实验测试条件和CFD模拟方法的发展,对喷射器机理的分析将更加深入.

    对于前者,研究给出的结论主要归结到工作流体压力与最大喷射系数及临界出口压力、引射流体压力与最大喷射系数及临界出口压力之间的关系,这方面的研究结果详见文献[3、4].本文则是在以往的模拟工作基础上,总结使用量纲一参数,即膨胀比、压缩比、临界压缩比,来分析喷射器性能.

    1　量纲一压力比的引入

    本文在大量模拟工作的基础上,针对工作参数,即工作流体压力、引射流体压力和喷射器出口压力,对喷射器性能影响规律方面的研究结果进行了系统的归纳总结(喷射器结构见图1),发现对一定结构的喷射器,影响喷射器性能的不是各工作参数的具体值,而是工作参数间的比值,即膨胀比β、压缩比α及临界压缩比α*,具体定义如下:

    式中:pm为工作流体入口压力;ps为引射流体入口压力;pd为喷射器出口压力;p*d为临界出口压力,即pm、ps一定时,喷射系数刚好达到最大值时的pd.

    为说明当喷射器结构一定时,膨胀比及对应临界压缩比的使用,会使模拟所得出的结论具有更好的通用性,这里对图1给出的喷射器进行了模拟,模拟工况的膨胀比分别为27.0、40.4、58.8,在各自膨胀比不变的情况下,使用不同的工作流体压力及引射流体压力,表1给出了具体参数值及计算结果.从计算结果可以看到,对一定结构的喷射器,当膨胀比一定时,尽管工作及引射流体压力的具体值不同,得到的最大喷射系数X*及临界压缩比的值仍是相同的.这说明使用膨胀比及对应的临界压缩比来分析喷射器的性能,所得出的结论不会局限于某些具体的参数值,从而使分析所得的结论具有更好的通用性.

    2　模拟结果分析与讨论

    模拟时采用已经证明适用于蒸汽喷射器的Chen-Kimk-E两方程湍流模型来求解质量、动量及能量的二维时均控制方程,蒸汽按真实气体的物性公式给出,结构尺寸示意图见图1.