周璟瑩，鄒偉龍，黃立還

(西安航天動力試驗技術(shù)研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

蒸汽引射器是沖壓發(fā)動機試驗臺的重要設(shè)備，用以滿足試驗所需真空度，同時對內(nèi)部流體起到減速增壓的效果[1-3]。該類引射器中的工作介質(zhì)通常為大壓縮比(大于2.5)的可壓縮流體，在工作過程中，由于流場中激波鏈、邊界層的分離與再附、渦流等復雜物理現(xiàn)象的存在，導致有關(guān)引射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶有很大的經(jīng)驗性，有關(guān)引射能力提高的研究也受到限制。一些學者對引射器性能進行了試驗研究與分析，得到了引射器引射系數(shù)與工作條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的規(guī)律[4-6]。利用計算流體力學的手段及其可視化優(yōu)點，揭示了引射器內(nèi)部的流動細節(jié)，為其設(shè)計、優(yōu)化提供依據(jù)。X.Yang等[7]利用流體力學手段對橢圓形、圓錐形等不同形狀噴嘴進行分析比較，發(fā)現(xiàn)圓錐形噴嘴的噴射能力較其他幾種更優(yōu)；K.Pianthong等[8]模擬分析了蒸汽引射器結(jié)構(gòu)(如噴嘴位置、喉管長度等)對其工作性能的影響，得到了最優(yōu)幾何結(jié)構(gòu)；龍新平等[9]對喉管長度不同的幾種引射器內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)引射器喉管長度與面積的比值影響最優(yōu)喉管的長度；徐海濤、桑芝富[10]運用 Fluent 軟件對不同壓縮比的引射器流場進行模擬，分析了不同操作狀態(tài)下蒸汽引射器的工作能力，得出最佳工作點在其臨界狀態(tài)的結(jié)論；P.Desevaux[11]和Yu Han[12]等運用 CFD 的可視化特點，分析了引射器流場內(nèi)激波鏈變化、邊界層分離情況以及內(nèi)部壓力場變化；袁丹青等[13]對多噴嘴引射器內(nèi)部流場進行計算模擬，并結(jié)合實驗分析并驗證了噴嘴數(shù)量與其工作能力的關(guān)系；孔凡超等[14]分析了水和液氮作為摻混工質(zhì)對于引射器引射能力的不同影響，得到了提高引射器極限真空度的方法；O A Evdokimov等[15]通過對比兩種不同類型引射器用于不同工作方式下的模擬與試驗結(jié)果，分析了其抽吸能力。

由于沖壓發(fā)動機工況復雜，空氣流量變化范圍較大，試驗用蒸汽引射器的工作狀態(tài)需隨之調(diào)整。通過流體力學軟件FLUENT對引射器進行模擬分析，對比討論各影響因素對引射器性能的影響、不同工況下引射器的工作狀態(tài)，為合理利用引射器、提高引射性能及工況參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

1 引射器結(jié)構(gòu)及性能指標

本文分析的蒸汽引射器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由接受室、引射噴嘴、混合室和擴散器4部分組成，3個引射噴嘴呈間隔120°圓周排列。引射器工作時，工作流體(高壓水蒸汽)通過引射噴嘴進入接受室，并在引射噴嘴出口形成高速低壓區(qū)域；引射流體(主要為水蒸氣和空氣的混合物)在內(nèi)外壓差的驅(qū)動下被吸入接受室，在工作流體膨脹和邊界層粘性力的共同作用下進入混合室，與工作流體發(fā)生動量和能量的交換；混合后的蒸汽(壓縮流體)經(jīng)擴散器的導流擴壓作用，動能轉(zhuǎn)化為壓力能后排出，在保證引射流體前端容器真空度的同時提高了引射流體的壓力。

圖1 蒸汽引射器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of steam ejector

在發(fā)動機試驗中，蒸汽引射器的工作能力關(guān)系試驗成敗，而引射器主要由以下幾個性能參數(shù)進行評價。

1.1 引射系數(shù)

指在一定工況下，單位質(zhì)量工作流體通過引射器所能抽吸的引射流體流量，在數(shù)值上與引射流體和工作流體的質(zhì)量流量之比相等，即

u=MI/Mp

式中:u為引射系數(shù)；MI為引射流體的質(zhì)量流量，kg/s;Mp為工作流體的質(zhì)量流量，kg/s。

1.2 引射器效率

用以衡量引射器的完善性，是引射流體獲得工作能力與工作流體喪失工作能力的比值，即

η=u(pc/ph)/(pp/pc)

式中:η為引射器效率；pc為壓縮流體壓力(即引射器出口壓力)，MPa；ph為引射流體壓力，MPa；pp為工作流體壓力，MPa。

引射系數(shù)是評價蒸汽引射器工作性能的重要指標，也是本文分析時重點考察的參數(shù)之一；引射器效率在引射、工作和壓縮流體初始參數(shù)不變的前提下，取決于引射系數(shù)u的大小。

當引射器結(jié)構(gòu)尺寸一定時，引射系數(shù)的大小不僅與引射流體的質(zhì)量流量有關(guān)，工作流體壓力、引射流體中水蒸氣所占的百分比等均會影響引射器的引射能力?；谏鲜鰧σ淦鹘Y(jié)構(gòu)及工作原理的描述建立模型，對各項參數(shù)與蒸汽引射器性能之間的關(guān)系進行分析討論。以圖1所示引射器結(jié)構(gòu)為例，由于該型引射器每套噴嘴、混合室與擴散器均可獨立工作，且為軸對稱結(jié)構(gòu)，因此只分析其中一套結(jié)構(gòu)即可。

2 額定工況流場分析

2.1 網(wǎng)格及邊界條件

計算域包括噴嘴、混合室及擴散器段，對噴嘴喉部的網(wǎng)格進行加密，得到引射器的二維網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格示意圖Fig.2 Grid schematic diagram

邊界條件設(shè)置如下：

1)引射流體入口：MI=38.16 kg/s，混合流體中水蒸氣的質(zhì)量百分比α=22%；

2)工作流體入口：pP=1.27 MPa，α1=100%；

3)混合流體出口：α2=0，pc= 95 600 Pa(取當?shù)卮髿鈮?；

4)壁面邊界條件：無滑移絕熱壁面。

2.2 額定工況流場分析

使用FLUENT對額定工況下蒸汽引射器的工作狀態(tài)進行仿真分析。

2.2.1 引射器內(nèi)壓力場分布

由圖3可分析引射器工作過程。引射器內(nèi)部的壓力在噴嘴前后發(fā)生劇烈變化，即高壓工作流體經(jīng)過噴嘴喉部后壓力迅速降低，在出口處形成低壓區(qū)，將引射流體吸入混合室中；2種流體在混合室充分混合后，再經(jīng)由擴壓器提升壓力，最終引射到大氣中。

圖3 引射器內(nèi)部壓力場分布云圖Fig.3 The contours of the internal pressure field of the ejector

結(jié)合圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，噴嘴出口后的壓力急劇降低后，轉(zhuǎn)變?yōu)閲@某一值的振蕩變化形式，這是由于超音速流體在擴張段要進行減速增壓，為達到出口壓力必然在擴張段產(chǎn)生激波間斷，強激波和較強的逆壓梯度必然誘發(fā)邊界層的分離；而又由于流體有自動選擇和維持最穩(wěn)定流動結(jié)構(gòu)的特性，隨著時間的發(fā)展，邊界層不斷分離再附，引射器的軸線位置形成激波鏈，流體速度和壓力也隨之發(fā)生振蕩，直至流場趨于定常。

圖4 軸線處壓力散點圖Fig.4 Pressure scatter plot at axis

2.2.2 引射器內(nèi)速度場分布

由圖5中的馬赫數(shù)分布云圖可看出，工作流體在噴嘴等截面段達到音速，在噴嘴擴張段速度不斷增大；通過噴嘴之后為超音速狀態(tài)，并在剪切作用下帶動引射流體進入混合室，形成混合邊界層，邊界層外部為亞音速流體，內(nèi)部為超音速流體。在混合過程中，伴隨著能量交換，在噴嘴邊緣產(chǎn)生一道斜激波，誘發(fā)邊界層的第一次分離，使得主流通道等效截面收縮，出現(xiàn)第一個喉道；然后等效流道擴張，流體再加速。之后由于逆壓梯度的作用，激波鏈結(jié)構(gòu)由初始的分叉激波-膨脹波單元發(fā)展為壓縮波-膨脹波單元，即喉道前后的流體速度仍為超音速，但喉道前的流體受到壓縮，喉道后的流體隨著流道的擴張而加速，同時，流道收縮減緩，流道收縮處的邊界層變厚，激波強度逐漸減弱。最后，在擴散器的擴張段，激波鏈單元結(jié)束，超音速流體與亞音速區(qū)域逐漸混合，在無激波的狀態(tài)下增壓減速至較均勻的亞音速狀態(tài)。

圖5 馬赫數(shù)散點圖Fig.5 Maher number scatter plot

結(jié)合軸線位置的馬赫數(shù)散點圖分析可知，引射器內(nèi)軸線處的速度變化與壓力變化一樣，都受激波鏈作用而不斷振蕩變化。在激波產(chǎn)生的初始階段(即噴嘴出口位置)，速度最高達3.7倍聲速；隨著激波鏈強度的減弱，振蕩曲線的最高點不斷降低(但馬赫數(shù)仍大于1)，直至激波鏈結(jié)束后，氣流才變?yōu)閬喡曀倭黧w。

2.2.3 數(shù)值模擬結(jié)果合理性驗證

為了驗證引射器仿真模擬結(jié)果的準確性，將模擬所得的引射壓力與試驗中傳感器采集到的壓力進行對比，引射流量為38.16 kg/s，模擬所得引射壓力為39.7 kPa，試驗采集的壓力為36 kPa，誤差為9%，在誤差允許范圍內(nèi)，說明數(shù)值模擬條件設(shè)置合理，結(jié)果具有參考意義。

3 不同操作工況參數(shù)下引射能力的分析

對于本文中結(jié)構(gòu)尺寸一定的蒸汽引射器引射性能的分析，主要研究各操作工況參數(shù)對引射性能的影響，結(jié)合沖壓發(fā)動機試驗臺系統(tǒng)中蒸汽引射器的實際工作情況，選取引射流體流量(單噴嘴)Mh，引射流體中水蒸氣所占百分比α，工作流體壓力pp這和引射流體壓力ph這4個工況參數(shù)進行研究。

3.1 引射流體流量的影響

以工作流體壓力pp=1.27 MPa，引射流體中水蒸氣所占百分比α=22%為前提不變，模擬引射流體流量MI從23.16 kg/s變化到53.16 kg/s(即單噴嘴流量由7.72 kg/s變到17.72 kg/s)時引射器的工作情況，得到引射器效率隨引射流體流量變化的趨勢如圖6所示。從圖6中可看出，引射器的效率隨引射流體流量的增加而升高，這是由于引射流體流量增加時，引射流體的壓力也得到提高，兩者綜合作用導致引射器效率的升高。

圖6 引射流體流量(單噴嘴)對引射器效率的影響Fig.6 Effect of ejecting fluid flow(single nozzle) on efficiency of ejector

通過對比不同引射流體流量時引射器內(nèi)部的速度云圖(如圖7所示)可以發(fā)現(xiàn)，引射流體流量越大，激波鏈的有效長度越長，但強度越小；激波鏈形狀由長鏈狀逐漸發(fā)展為鉆石鏈狀，激波鏈收縮處的混合邊界層擴大，流體流通量增大，故引射流體所獲得的工作能力增大，引射器的效率升高。

圖7 不同引射流體流量時引射器內(nèi)部速度場的變化Fig.7 Variation of velocity field in ejector during different ejection fluid flow rate

3.2 引射流體中水蒸氣所占百分比的影響

為了研究引射流體中水蒸氣所占百分比對引射器性能的影響，將引射流體入口邊界條件由流量入口改為壓力入口，設(shè)定引射器的工作流體壓力為1.27 MPa，引射流體壓力為33 kPa，模擬引射流體中水蒸氣所占百分比從0變化到50%時引射器的工作情況，得到引射流體中水蒸氣所占百分比對引射性能的影響趨勢如圖8所示。

圖8 引射流體中水蒸氣含量的影響Fig.8 Influence of water vapor content in ejecting fluid

由圖8可知，引射流體的流量隨著引射流體中水蒸氣含量的增大而減小，而工作流體流量不變，故引射器的引射系數(shù)隨水蒸氣含量的升高而呈現(xiàn)降低的趨勢，水蒸氣所占百分比α由0增大到50%，引射系數(shù)由0.45降低至0.36。

3.3 工作流體壓力的影響

參考試驗數(shù)據(jù)設(shè)置引射流體入口壓力ph為33 kPa，然后分別取工作流體入口壓力pp為1.07 MPa，1.12 MPa，1.17 MPa，1.22 MPa，1.27 MPa，1.32 MPa，1.37 MPa及1.42 MPa，其模擬結(jié)果如圖9所示。

圖9 工作流體壓力的影響Fig.9 The effect of working fluid pressure

分析可得，引射系數(shù)隨著工作流體壓力的增大而降低，當工作流體壓力pp=1.42 MPa時，引射系數(shù)u=0.33，為此段數(shù)據(jù)中的最小值。引射流體的流量隨著工作流體壓力的升高而緩慢增大，且在pp>1.32 MPa后，數(shù)值基本不再增大；而工作流體的流量隨著工作流體壓力的升高而增大，且工作流體流量的增加遠大于引射流體流量的增加，故增大工作流體壓力對引射系數(shù)的提高無積極作用。

如圖10所示，選取引射器噴嘴出口(A)、混合室等直段兩端(B和C)、擴散器出口(D)4個截面，對比不同工作壓力下各截面的馬赫數(shù)分布。

圖10 截面位置圖Fig.10 Section position distribustion

從圖11可以看出，當工作壓力從1.07 MPa提高到1.47 MPa時，流體的流速整體得到提高，其中A,B兩截面上的馬赫數(shù)增大體現(xiàn)為對稱軸(y=0 mm)附近的極值點增多，即軸線附近流體的馬赫數(shù)數(shù)值整體增高；而混合室等直段出口和引射器出口(即C，D截面)處的馬赫數(shù)分布變化明顯，C截面對稱軸位置的馬赫數(shù)由2.18增大到2.72，D截面同位置的馬赫數(shù)由0.26變化為0.62。這是由于隨著工作流體壓力的升高，引射器內(nèi)流體相互作用產(chǎn)生的激波鏈強度增加(如圖12所示)，噴嘴出口的流體速度整體提高較大，故流體通過擴壓器等直段后馬赫數(shù)增大明顯。因此，適當增大工作流體壓力，可提高流體的速度，從而使引射器抽吸能力得到提升。

圖11 不同工作壓力下的馬赫數(shù)分布圖Fig.11 Mach number distribution under different working pressures

圖12 引射器速度分布云圖Fig.12 Velocity distribution in ejector

3.4 引射流體壓力的影響

為了研究引射流體壓力對引射器性能的影響，參考試驗數(shù)據(jù)設(shè)置工作流體入口壓力pp為1.27 MPa，然后分別取引射流體入口壓力ph為12 kPa，19 kPa，26 kPa，33 kPa，40 kPa，47 kPa及54 kPa，模擬結(jié)果如圖13所示。不同引射壓力下的馬赫數(shù)分布如圖14所示。

圖13 引射流體壓力的影響Fig.13 Effect of ejection fluid pressure

圖14 不同引射壓力下的馬赫數(shù)分布圖Fig.14 Mach number distribution diagram under different ejection pressure

分析可知，隨著引射流體壓力的升高，工作流體流量不變，而引射流體的流量不斷增加，因此引射系數(shù)隨引射流體壓力的增大而提高。從引射器工作機理上分析，原因主要為：增加引射流體壓力，會使噴嘴出口處工作流體與引射流體的壓差變大，引射流體進入接受室的推動力得以增大，促進了2種流體的混合，從而提高了引射系數(shù)。因此，可以通過適當提高引射流體壓力，使引射系數(shù)增加。

同樣選取圖10所示A，B，C，D這4個截面，由圖14可知，引射流體壓力從12 kPa提高到54 kPa，各截面處的馬赫數(shù)分布變化較大，B截面處的馬赫數(shù)值明顯降低，軸線位置的馬赫數(shù)值由2.97變?yōu)?.15，這是因為引射流體壓力越高，流量越大，則激波鏈有效長度增加，激波鏈發(fā)展更加充分、強度降低，混合流體流速下降(如圖7所示)；而C,D截面處的馬赫數(shù)值均略有提高，這是因為當引射壓力提高時，被吸入的引射流體流量增大，從而導致出口壓力稍有升高。因此，引射流體壓力過高時，將會導致引射器抽吸能力的降低。

4 結(jié)論

通過上述分析，可以得到如下結(jié)論：

1)對引射器內(nèi)部流場的模擬分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比誤差較小，相關(guān)分析結(jié)果可以為優(yōu)化引射方案提供參考。

2)引射流體中水蒸氣含量增大會導致引射器引射系數(shù)的降低，故該型引射器在使用時應(yīng)控制引射流體中水蒸氣所占的比例。

3)引射流體壓力一定，該型引射器的引射系數(shù)隨著工作流體壓力的提高而稍有降低，但引射器抽吸能力增強；反之，增大引射流體壓力，引射系數(shù)上升，而引射器抽吸能力降低。故在工作參數(shù)設(shè)計時應(yīng)綜合考慮兩個壓力的影響，方能獲得能力均衡、性能完善的引射器工作工況。