王曉冬， 孫浩林， 孫 浩

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

水蒸氣噴射泵是通過(guò)高壓水蒸氣射流攜帶作用，對(duì)引射蒸汽進(jìn)行抽吸的流體動(dòng)力機(jī)械，在很多工程領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用[1].水蒸氣噴射泵是由噴嘴、吸入室、擴(kuò)壓器的漸縮段、喉部以及漸擴(kuò)段等組成[2-7].

水蒸氣噴射泵的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，噴嘴的喉部面積大小對(duì)水蒸氣噴射泵性能的影響至關(guān)重要[8].研究者們采用了數(shù)值模擬的方法對(duì)水蒸氣噴射泵的流場(chǎng)開(kāi)展了模擬研究[7].Varga等[8]對(duì)一種可調(diào)式噴射器進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)操作條件不同于預(yù)設(shè)值時(shí)，與噴嘴固定式噴射器相比，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)錐位置可以使引射系數(shù)明顯提高.Wu等[9]進(jìn)行多因素分析以研究噴射器的性能，并通過(guò)五因素和四級(jí)正交試驗(yàn)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，噴嘴直徑是影響噴射器性能的最敏感因素.李熠橋[10]設(shè)計(jì)了一種可調(diào)式蒸汽噴射器，并與普通固定式噴射器對(duì)比，發(fā)現(xiàn)噴嘴可調(diào)式噴射器可以減弱噴射器內(nèi)的凝結(jié)激波.

因此，本文以一種噴嘴可調(diào)式噴射泵作為數(shù)值模擬研究對(duì)象，通過(guò)改變調(diào)節(jié)錐的位置改變噴嘴喉部面積，采用FLUENT軟件，對(duì)不同調(diào)節(jié)錐位置下的內(nèi)部流場(chǎng)、軸線(xiàn)壓力、近壁面流線(xiàn)圖做出分析，旨在尋找最佳的噴嘴喉部面積并提高水蒸氣噴射泵適應(yīng)不同工況的能力.

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 控制方程與湍流模型

水蒸氣噴射泵內(nèi)部流動(dòng)由流動(dòng)守恒方程描述.同時(shí)還要滿(mǎn)足組分守恒方程和湍流運(yùn)輸方程，且要滿(mǎn)足氣體狀態(tài)方程.

組分方程：

(1)

式中:ρ和u分別為氣體的密度和速度;Cs為組分S的體積濃度;Ds為組分的擴(kuò)散系數(shù);Ss為系統(tǒng)內(nèi)部單位時(shí)間、單位體積通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的質(zhì)量，即生產(chǎn)率.

氣體狀態(tài)方程：

(2)

式中:p為氣體壓力;T為氣體熱力學(xué)溫度;R為氣體常數(shù).

文獻(xiàn)[7]的研究表明，采用k-ωSST湍流模型對(duì)模擬水蒸氣噴射泵內(nèi)部流場(chǎng)具有更高的計(jì)算精度，本文采用該湍流模型來(lái)求解水蒸氣噴射泵內(nèi)部流場(chǎng).

本文采用的CFD模型與東北大學(xué)張光利[11]建立的CFD模型差別僅有湍流模型、被抽氣體溫度、噴射泵喉部長(zhǎng)度.張光利的湍流模型為Realizablek-ω模型，本文選用的湍流模型為k-ωSST.Han等[12]的研究證實(shí)以上兩個(gè)湍流模型的計(jì)算誤差僅有2.4%.張光利已對(duì)所建立的CFD模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的吻合性較好，因此本文的CFD計(jì)算模擬結(jié)果具有一定的可信度.

1.2 幾何建模

本文采用ICEM網(wǎng)格劃分軟件，水蒸氣噴射泵的尺寸見(jiàn)表1，調(diào)節(jié)錐的示意圖如圖1所示，水蒸氣噴射泵的物理模型是在SolidWorks中生成的.本文的模型中調(diào)節(jié)錐起始位置是錐尖處正好在噴嘴喉徑最窄處，當(dāng)調(diào)節(jié)錐在不同位置時(shí)噴嘴最窄處的喉徑面積如式(1)所示：

(3)

式中:AT為噴嘴喉徑面積;L為調(diào)節(jié)錐橫向移動(dòng)的距離.

表1 水蒸氣噴射泵的幾何尺寸

1.3 邊界條件設(shè)定及網(wǎng)格劃分方法

水蒸氣噴射泵邊界條件的設(shè)置如下：工作流體在入口的初始?jí)毫?.36 MPa，引射流體在入口的初始?jí)毫? 721 Pa，混合流體在出口的壓力為4 200 Pa.

由表1給出的幾何尺寸，建立二維幾何模型，水蒸氣噴射泵的工作流體入口和引射流體入口和出口均采用壓力邊界入口.入口工作介質(zhì)湍流強(qiáng)度均設(shè)為5%.由于流體在壁面的速度為零，因此壁面采用的是無(wú)滑移邊界條件.

對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到近壁面及重要流場(chǎng)結(jié)構(gòu)區(qū)域，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，來(lái)更好地捕捉內(nèi)部流場(chǎng).對(duì)同一幾何模型劃分了三種不同數(shù)量的網(wǎng)格，分別為15 236，24 896，54 862個(gè)，模擬結(jié)果顯示24 896個(gè)網(wǎng)格數(shù)和54 862個(gè)網(wǎng)格數(shù)的模擬結(jié)果差異不大.綜合考慮模擬精度和計(jì)算時(shí)間，最終網(wǎng)格劃分總數(shù)為24 896個(gè)，其中噴嘴部分生成14 215個(gè)單元，網(wǎng)格劃分如圖2所示.

1.4 數(shù)值求解

本文以ANSYS 18.0作為數(shù)值模擬計(jì)算工具，采用有限體積法.一般來(lái)說(shuō)，一階精度下更容易收斂，但精度較差，本文對(duì)對(duì)流項(xiàng)分別按照一階與二階進(jìn)行模擬，二者的引射系數(shù)相同，因此對(duì)流項(xiàng)按照二階迎風(fēng)格式、擴(kuò)散項(xiàng)按照中心差分格式近似，代數(shù)方程組求解用高斯賽德?tīng)柕椒?各項(xiàng)計(jì)算殘差以低于10-6，泵進(jìn)出口蒸汽流量差低于10-7kg/s作為收斂條件.

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 不同調(diào)節(jié)錐位置下的引射系數(shù)與進(jìn)出口流量

引射系數(shù)是體現(xiàn)水蒸氣噴射泵的主要性能參數(shù)，引射系數(shù)是被抽流體的質(zhì)量流量與入口流體的質(zhì)量流量的比值.不同調(diào)節(jié)錐位置所對(duì)應(yīng)的引射系數(shù)如圖3所示，對(duì)于測(cè)定的操作參數(shù)，從圖3中可以看到引射系數(shù)先緩慢變大然后急劇變小.引射系數(shù)從0.2逐漸變大，最大可提升至0.67，提升率達(dá)到235%.

圖4是不同調(diào)節(jié)錐位置的工作蒸汽和被抽蒸汽流量變化示意圖.可以看出隨著調(diào)節(jié)錐位置的深入，工作蒸汽流量變小，引射蒸汽流量在0～15 mm的階段保持不變，隨后在15 mm處突然下降，在18 mm時(shí)變?yōu)樨?fù)數(shù)，被抽蒸汽和工作蒸汽質(zhì)量流量的比值先變大后減小，這就可以解釋引射系數(shù)的先變大后減小.對(duì)于整個(gè)噴射器而言，調(diào)節(jié)錐起始位置兩個(gè)入口流量和為0.8 kg/s，在最佳位置15 mm時(shí)，兩個(gè)入口流量之和只有0.4 kg/s，使用調(diào)節(jié)錐后節(jié)省流量可達(dá)到50%.

2.2 不同調(diào)節(jié)錐位置下的速度流場(chǎng)分析

圖5是調(diào)節(jié)錐在不同位置下馬赫數(shù)(Ma>1)云圖.從圖中可以看出，在調(diào)節(jié)錐位置在0的時(shí)候，從噴嘴噴出的主流體能量很大，射流核范圍很大并且充滿(mǎn)在噴射泵的喉部，擴(kuò)散段壅塞區(qū)域發(fā)生在噴射泵喉部下游較遠(yuǎn)處，被抽流體在收縮段完全被擠壓，并沒(méi)有被有效抽出.隨著調(diào)節(jié)錐位置的向內(nèi)移動(dòng)，馬赫數(shù)大于1的區(qū)域越來(lái)越小，此時(shí)主流體的能量逐漸變小，擠壓在噴射泵喉部的射流核的強(qiáng)度也逐漸變小，壅塞位置逐漸向前移動(dòng).當(dāng)調(diào)節(jié)錐位置到15 mm的時(shí)候，噴射泵的引射系數(shù)達(dá)到最大，此時(shí)噴射泵的射流核的區(qū)域和能量較小，被抽流體的流動(dòng)面積大，以上都為雙壅塞模式.

當(dāng)調(diào)節(jié)錐位置到16 mm時(shí)，射流核現(xiàn)象消失，泵的正常工作狀態(tài)被打破，引射系數(shù)急劇下降，此時(shí)泵的工作狀態(tài)變?yōu)閱污杖Ｊ?調(diào)節(jié)錐位置到18 mm時(shí)，主流體能量太小，噴射泵出現(xiàn)回流，引射系數(shù)變?yōu)樨?fù)數(shù)，此時(shí)工作狀態(tài)變?yōu)榉盗髂Ｊ?

2.3 不同調(diào)節(jié)錐位置下的軸線(xiàn)壓力分析

圖6和圖7是調(diào)節(jié)錐位置分別在0和8 mm以及8和15 mm下噴射泵的軸線(xiàn)壓力圖.從圖6中可以看出隨著調(diào)節(jié)錐位置的深入，在噴射泵擴(kuò)散段的激波發(fā)生位置前移，激波的強(qiáng)度發(fā)生了減弱，而當(dāng)調(diào)節(jié)錐位置從8 mm變?yōu)?5 mm時(shí)，擴(kuò)散段激波現(xiàn)象完全消失，只有收縮段和喉部有激波，軸線(xiàn)壓力在出口附近穩(wěn)定不變，工作流體有充分的距離克服背壓排出噴射泵，泵工作達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).

2.4 不同調(diào)節(jié)錐位置下的近壁面流場(chǎng)跡線(xiàn)圖

圖8是噴射泵混合室內(nèi)壁面流場(chǎng)跡線(xiàn)圖，可以看出在調(diào)節(jié)錐位置為0的時(shí)候，邊界層脫離現(xiàn)象比較明顯，在壁面區(qū)域產(chǎn)生了明顯的漩渦流動(dòng)，引射蒸汽的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化為漩渦的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，引射蒸汽的有效流通面積減少，此時(shí)引射系數(shù)偏低.隨著調(diào)節(jié)錐位置的深入，當(dāng)調(diào)節(jié)錐位置在12 mm時(shí)，漩渦區(qū)域面積逐漸減少，引射系數(shù)逐漸增大.當(dāng)調(diào)節(jié)錐位置達(dá)到15 mm時(shí)，由于主流體噴射出的能量減少，引射蒸汽沒(méi)有被堵塞在泵的喉部，導(dǎo)致引射蒸汽可以和工作蒸汽一起通過(guò)喉部，達(dá)到最佳工作狀態(tài).當(dāng)調(diào)節(jié)錐位置在16 mm時(shí)，噴射泵內(nèi)出現(xiàn)了很強(qiáng)烈的邊界層脫離現(xiàn)象.漩渦區(qū)域面積大幅度增加，引射系數(shù)急劇減小.當(dāng)調(diào)節(jié)錐位置在18 mm時(shí)，泵內(nèi)正常工作狀態(tài)被打破，出現(xiàn)了返流.

3 結(jié) 論

1) 調(diào)節(jié)錐可以顯著改變泵內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)，隨著調(diào)節(jié)錐位置的深入，主流體的流量減少，被抽氣體的流量在正常工作范圍內(nèi)保持不變，使引射系數(shù)增大.

2) 調(diào)節(jié)錐可以改變激波出現(xiàn)的位置和強(qiáng)度，隨著可調(diào)節(jié)錐位置的正向移動(dòng)，噴射泵激波位置會(huì)負(fù)向移動(dòng)，強(qiáng)度會(huì)減弱，甚至?xí)绊懙奖玫恼９ぷ?

3) 調(diào)節(jié)錐位置與邊界層脫離現(xiàn)象密切相關(guān)，恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)錐位置可以減弱邊界層脫離現(xiàn)象.

4) 相同工況下，當(dāng)調(diào)節(jié)錐位置在15 mm附近可使噴射泵的工作效率達(dá)到最大，同時(shí)也可以有效節(jié)省流量.