二维流动模型的喷射器性能分析研究

　　0　引　言

　　在以喷射器为核心部件的热能利用系统中,如喷射式热泵系统、太阳能喷射式空调系统等,喷射器性能分析和结构优化设计对于整个系统的设计和运行控制起着至关重要的作用[1]。尽管一维模拟方法在喷射器的设计和性能分析中得到了比较多的应用[2],但是它不能给出喷射器内部流体的速度分布、能量损失等信息,因而就无法全面考虑喷射器内部具体结构对流动、混合等过程以及喷射器性能的影响。为了解决这些问题,采用多维流动模型计算喷射器内部流场是必要的。

　　Neve[3]建立了关于扩压器性能分析的二维轴对称数学模型,湍流模型使用k-ε模型,研究了入口速度分布均匀性对扩压器性能的影响,考察了混合室长度、扩压器长度与扩压器工作性能的关系。李素芬等[4]建立了喷嘴中气体超音速流动的三维可压缩流动模型,分析了喷嘴的扩张角和出口截面、流体初始压力对流动的影响。Riffat等[5]采用三维、不可压缩模型对喷射器内部全部的流场进行了计算,考察了三种不同形状喷嘴与吸入通道内回流现象的关系。由于使用了不可压缩流体模型,他们的研究中没有考虑超音速气体流动对喷嘴性能的影响。

　　对于气体喷射器而言,喷射器内流体的压力变化较大,喷嘴出口多处于超音速状态,必须考虑气体的可压缩性。本文建立了喷射器内二维可压缩流体流动的数学模型,采用数值计算方法分析喷射器性能与各流动参数的关系。

　　1　物理与数学模型的建立与计算区域的离散化

　　多数喷射器主体基本上是二维轴对称结构,只是吸入口常常是非轴对称设置的,使吸入流体进入喷射器时的流动呈三维状态。由于吸入气体流速比较低,若将吸入气体在与工作气体混合之前的三维流动过程简化,使其成为沿喷嘴外侧的轴向流动,从而喷射器内部的流动区域简化为二维轴对称结构,如图1所示。

　　喷射器内流动过程涉及到气体的超音速流动、激波和混合过程,为了对此进行计算,建立了连续可压缩介质的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程组,采用标准k-ε模型模拟流动中的湍流现象,通过壁面函数法建立动量、能量的边界方程。稳态条件下的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、湍流动能方程和湍流耗散律方程张量形式统一表示为

　　采用有限容积法建立与控制方程对应的代数方程组,由于流动过程的轴对称性,取轴线上方的半个区域为计算域。由于喷射器中各处流动状况分布很不均匀,喷嘴内有流体从亚音速到超音速的转变;吸入室内工作气体和吸入气体进行接触、碰撞和卷吸,流动状况比较复杂;混合室内入口处高低速流动共存,逐渐趋于均匀,且可能伴有激波的产生。为了提高计算效率并保证计算精度,按照喷射器内的流动特点,对计算区域划分成7个子区域,采用了四边形贴体网格,对各子区域分别以不同网格精细程度来进行离散化,如图2所示。为了保证计算结果没有受到网格数量的影响,考察了各个区域网格不断加密的条件下计算结果的变化情况,直到获得了网格无关性计算结果。具体模型的离散、求解及网格无关性计算过程参阅文献[6]。