黨 睿，楊 寧，張曉峰，高雯雯

(1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院，陜西 西安 710065)

流體噴射器是采用不同壓力的2股流體相互混合并發(fā)生能量交換，以形成一股居中壓力流體的裝置。其主要特點(diǎn)是提高引射流體的壓力而不直接消耗機(jī)械能，沒有運(yùn)轉(zhuǎn)部件維護(hù)方便。主要部件有工作噴嘴，接受室，混合室，擴(kuò)散器[1-3]。其中空氣噴射器以高低壓空氣為流體介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，如在干燥及真空行業(yè)，代替機(jī)械真空泵；在污水處理行業(yè)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)曝氣設(shè)備等。

傳統(tǒng)的單噴嘴噴射器前人研究很深入很豐富，包括其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特性研究，調(diào)節(jié)性能等[1-3]。多噴嘴噴射器也有報(bào)道，蔡琴[4]等提出了一種多噴嘴射水式水噴射加熱器，并進(jìn)行了研究。平凡[5]等對(duì)7 孔噴嘴的水噴射器，以溫水為工作流體，飽和蒸汽為引射流體，研究了工作水溫、流量和引射蒸汽溫度等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)引射能力和加熱能力的影響。童明偉[6]等對(duì)一種射汽式多噴嘴水噴射器的加熱性能進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)分析。馬昕霞[7-11]等對(duì)多噴嘴汽-液兩相噴射器建立了理論模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證；采用濕蒸汽為工作流體，分析了蒸汽壓力、干度及出口背壓對(duì)噴射器性能的影響規(guī)律；設(shè)計(jì)了一種在混合室壁面加側(cè)向孔的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生二級(jí)引射，以提高噴射系數(shù)。祝銀海[12]等以氮?dú)鉃榱黧w，對(duì)帶有旁通型噴嘴的噴射器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了噴嘴環(huán)隙結(jié)構(gòu)對(duì)引射能力的影響規(guī)律。對(duì)可調(diào)式空氣噴射器的研究較少報(bào)道，作者將從多噴嘴和噴嘴距離可調(diào)方面，通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)可調(diào)式空氣噴射器進(jìn)行研究。

1 幾何模型及數(shù)值模擬

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

多噴嘴空氣噴射器的結(jié)構(gòu)見圖1。尺寸見表1(4個(gè)噴嘴)。工作原理與普通噴射器相同，結(jié)構(gòu)相似，是把1個(gè)噴嘴按等面積法進(jìn)行多個(gè)噴嘴設(shè)計(jì)，且噴嘴上設(shè)置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使噴嘴可以縱向移動(dòng)，以改變噴嘴出口超出混合室距離l0[3]。將原來(lái)單一通道工作流體變成多個(gè)通道，使工作流體與引射流體有更多的接觸面積，具有提高工作流體的穩(wěn)定性，可以隨時(shí)適應(yīng)工況操作等優(yōu)勢(shì)。

圖1 多噴嘴噴射器結(jié)構(gòu)

表1 噴射器的基本設(shè)計(jì)尺寸

假設(shè)引射流體在噴嘴入口均勻進(jìn)入接受室，進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，將引射流體入口簡(jiǎn)化為噴嘴環(huán)向，工作流體帶動(dòng)引射流體進(jìn)入混合室，在接受室內(nèi)二者沒有進(jìn)行混合，簡(jiǎn)化后的多噴嘴噴射器三維結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格見圖2。

圖2 簡(jiǎn)化后的多噴嘴噴射器的三維結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格

1.2 數(shù)值模擬

采用FLUENT 3D求解器求解，湍流方程采用標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon方程，應(yīng)用基于密度的隱式求解器，流體域?yàn)榭諝?，定壓比熱、熱?dǎo)率及黏度遵循piecewise-linear，工作進(jìn)口采用壓力入口邊界設(shè)置，高壓氣體為1.5 MPa；引射進(jìn)口采用壓力入口邊界設(shè)置，低壓氣體為0.2 MPa；出口采用壓力出口邊界設(shè)置，混合氣體為0.3 MPa[12-14]。適當(dāng)調(diào)節(jié)庫(kù)朗數(shù)、松弛因子，迭代至收斂其軸面壓力云圖見圖3。

圖3 多噴嘴噴射器軸面壓力云圖

2 各參數(shù)對(duì)多噴嘴噴射器的影響規(guī)律

2.1 同時(shí)工作噴嘴個(gè)數(shù)對(duì)噴射器性能的影響

改變工作噴嘴個(gè)數(shù)從1增加至4。噴嘴出口所在截面端面壓力云圖見圖4，噴射系數(shù)隨工作噴嘴數(shù)目變化的曲線圖見圖5。

由圖4可明顯分辨出工作噴嘴的個(gè)數(shù)，有工作氣流通過(guò)的噴嘴，噴嘴出口與混合室壓差較大，噴嘴出口壓力高。由圖5可知，隨同時(shí)工作噴嘴數(shù)目的增加，噴射系數(shù)呈升高趨勢(shì)。因?yàn)閲娮旃ぷ鲾?shù)目的多少會(huì)影響到噴嘴出口的工作氣體流量的多少。噴嘴數(shù)目少時(shí)，工作氣體流量少，無(wú)法抽吸引射流體，噴射系數(shù)較低甚至接近于0。工作噴嘴數(shù)目從3個(gè)增加到4個(gè)，噴射系數(shù)上升較大，因更接近于設(shè)計(jì)工況。

a工作噴嘴數(shù)1

b 工作噴嘴數(shù)2

c工作噴嘴數(shù)3

d 工作噴嘴數(shù)4圖4 工作噴嘴數(shù)目不同時(shí)噴嘴出口所在截面壓力云圖

噴嘴數(shù)目/個(gè)圖5 工作噴嘴數(shù)目對(duì)噴射系數(shù)的影響

2.2 噴嘴出口距離對(duì)多噴嘴噴射器的影響

噴嘴是噴射器的核心部件，把噴嘴出口超出混合室的距離l0稱為噴嘴出口距離。噴嘴出口距離對(duì)噴射器的性能高低影響也很大，甚至決定噴射器是否能正常運(yùn)行。分析中采用工作噴嘴數(shù)目為4個(gè)，改變噴嘴出口超出混合室距離從10 mm至25 mm，即使噴嘴向擴(kuò)壓器喉部移動(dòng)。噴嘴出口所在截面端面壓力云圖見圖6，噴嘴出口距離l0對(duì)噴射系數(shù)的影響曲線見圖7。

由圖6、圖7可知，隨著噴嘴出口距離的增大，噴嘴出口壓力升高，噴射系數(shù)上升。噴嘴出口距離過(guò)小時(shí)，噴射系數(shù)甚至為負(fù)值，因?yàn)榇藭r(shí)噴嘴出口的自由流束邊界始終小于混合室邊界，所帶入的氣體比噴射壓縮器能通過(guò)的要多，一部分氣體從混合室倒流到接受室，此部分氣體壓力較引射壓力高，進(jìn)而從引射入口流出[15]。噴嘴出口距離越大對(duì)引射越有利，但需要考慮結(jié)構(gòu)上是否可以滿足。綜上所述，噴嘴出口距離在噴射器設(shè)計(jì)中是非常關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，必須合理調(diào)節(jié)才能使噴射器正常工作穩(wěn)定工作。

a l0=10 mm

b l0=15 mm

c l0=20 mm

d l0=25 mm圖6 噴嘴出口距離不同時(shí)噴嘴出口所在截面壓力云圖

l0/mm圖7 噴嘴出口距離對(duì)噴射系數(shù)的影響

3 結(jié) 論

(1)采用多噴嘴設(shè)計(jì)，改變工作噴嘴數(shù)目可以改變噴射系數(shù)。工作噴嘴數(shù)目越多，噴射系數(shù)越大，但工作噴嘴數(shù)目過(guò)少時(shí)，有可能出現(xiàn)工作氣體流量少、引射能力不足、噴射器不能正常工作的現(xiàn)象；

(2)改變噴嘴出口距離，可改變噴射系數(shù)。噴嘴距離越大，噴射系數(shù)越高，過(guò)大的噴嘴出口距離將產(chǎn)生結(jié)構(gòu)干涉，故噴嘴距離不可能無(wú)限增大。噴嘴出口距離過(guò)小時(shí)會(huì)出現(xiàn)工作氣體倒流，噴射系數(shù)為負(fù)；

(3)可調(diào)式空氣噴射器需通過(guò)合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并測(cè)試得出性能曲線(調(diào)節(jié)曲線)，按照調(diào)節(jié)曲線調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)變工況調(diào)節(jié)。