劉華東, 靳朝陽, 王定標, 郝 琪, 黨 毫, 張羽翔

(鄭州大學 機械與動力工程學院,河南 鄭州 450001)

作為壓縮/噴射制冷循環(huán)系統(tǒng)的關鍵裝置,兩相噴射器可有效回收流體流動過程中的節(jié)流損失,提高系統(tǒng)性能。但是兩相噴射器偏低的效率制約了系統(tǒng)性能進一步提高。為解決這一問題,眾多研究者分別從理論模型[1-4]、數(shù)值模擬[5-7]和實驗研究[8-10]等方面對噴射器流場、性能及結構尺寸的影響進行了研究,取得了一系列成果。

Sriveerakul等[11]、Ruangtrakoon等[12]、Chen等[13]發(fā)現(xiàn)在臨界狀態(tài)下,噴射器混合室出口附近存在低壓區(qū),這阻礙了噴射器內流體流動,降低了其性能。為此,相關研究者提出在臨界噴射器內部流場低壓區(qū)域增加介質旁路通道來改善流體流動,提高設備性能。Chen等[13]研究發(fā)現(xiàn),當旁路進口中心位置到混合室進口的長度與混合室長度之比為1.1時,旁路噴射器獲得最大引射系數(shù),與傳統(tǒng)噴射器相比,旁路噴射器的引射系數(shù)增加了9.65%。之后,Chen等[14]進一步分析了旁路進口寬度的影響,結果顯示,旁路進口寬度為0.8～1.6 mm時,相較于無旁路噴射器,設備性能最大可提高34.88%。Tang等[15]通過研究,建議當噴射器處于設計工況(臨界狀態(tài))時,在混合室等面積段上設置旁路進口;當處于非設計工況(亞臨界狀態(tài))時,在混合室等面積段和擴壓室上設置旁路進口。之后,Tang等[16]研究發(fā)現(xiàn)旁路存在最優(yōu)的進口位置、寬度和角度使得噴射器性能最優(yōu)。Bodys等[17]以CO2為工質,研究了旁路進口角度對旁路噴射器的影響,結果表明:與傳統(tǒng)噴射器相比,當旁路角度為19°時,噴射器的引射系數(shù)提高了36.9%。后來Bodys等[18]又研究了旁路進口位置對旁路噴射器的影響,得到了與Chen等[19]相似的結論。

綜上所述,目前關于旁路噴射器的研究主要集中于臨界狀態(tài)下的兩相噴射器,通過在擴壓室進口附近的流場低壓區(qū)引入旁路流體來改善流體流場分布,提高噴射器的性能。在課題組所研究的雙溫壓縮/噴射制冷系統(tǒng)中[10,19-20],在大部分工況條件下,兩相噴射器處于亞臨界狀態(tài),不存在臨界狀態(tài)下的流場低壓區(qū)。為此,在Tang等[15-16]以及前期大量模擬工作基礎上,提出在混合室和擴壓室連接處增加旁路進口,引入高壓旁路流體,通過促進噴射器混合室內混合流體流動來提高噴射器性能。本文對以R134a為工質的亞臨界旁路噴射器進行研究,分析旁路進口幾何形狀尺寸和工況參數(shù)對其性能和內部流場的影響,探究最佳旁路結構尺寸和工質工況參數(shù)。

1 計算模型

1.1 數(shù)值模型

在課題組前期的實驗研究中[10],所研究的亞臨界兩相噴射器噴嘴進口為過冷液體,引射室進口為過熱蒸汽。過冷液體在經(jīng)過主噴嘴時降壓膨脹發(fā)生相變,故在對兩相噴射器的模擬中設置兩相流模型和兩相流聲速模型。

(1)兩相流模型。選取兩相非均相混合模型捕捉噴射器內部的相變效應。穩(wěn)態(tài)條件下,質量方程、動量守恒、能量守恒以及與第二相守恒相對應的附加平流方程如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ρ為混合流體的密度,kg/m3;u為速度,m/s;p為壓力,kPa;τ為雷諾應力;▽為哈密頓算子;keff為有效熱導率,W/(m·K);T為開氏溫度,K;i、j表示方向;E為內能,J/kg;Q表示相變過程中傳遞的能量J/kg;m表示相變過程中傳遞的質量,kg。

(2)兩相流聲速模型。采用凍結聲速模型來計算氣液兩相流體的聲速,計算公式[21]為

(5)

式中:ρv、ρl分別為氣相密度、液相密度,kg/m3;αv為氣相體積分數(shù);cv、cl分別為氣相和液相聲速,m/s。

1.2 幾何模型

所研究的兩相旁路噴射器主體尺寸結構是基于課題組前期設計使用的兩相噴射器,其結構尺寸見表1。由于目前文獻中尚未有確切的計算公式用來指導計算旁路尺寸,因此借鑒文獻[13]的噴射器旁路幾何尺寸來設置本文中噴射器旁路的初始尺寸,將旁路初始角度設為90°,進口初始寬度設為2 mm,設置旁路后的兩相噴射器結構如圖1所示。在后續(xù)研究中,通過改變旁路的角度和寬度探尋旁路結構與噴射器主體結構的最佳配比,分析兩者對噴射器內部流場的影響規(guī)律,獲得具有高引射效率的旁路噴射器。

圖1 旁路噴射器幾何結構

表1 旁路噴射器的幾何尺寸

1.3 數(shù)值模擬方法及邊界條件

采用Ansys Fluent 19.2對兩相旁路噴射器的數(shù)值進行計算。采用Realizablek-ε湍流模型[22]基于壓力求解器,使用二階迎風格式的空間離散格式,近壁處采用了標準壁面函數(shù)法。噴嘴進口、引射室進口和旁路進口均為壓力進口,出口為壓力出口。假設旁路進口壓力為488.50 kPa,其他邊界條件為文獻[17]中實驗測得的數(shù)據(jù),其中噴嘴進口壓力為1 354.83 kPa,引射室進口壓力為38.97 kPa,擴壓室出口壓力為418.50 kPa,工質為R134a。

1.4 網(wǎng)格無關性驗證

本文采用ICEM軟件進行網(wǎng)格劃分,對網(wǎng)格數(shù)目分別為1.2×105、1.6×105、2.1×105、2.6×105、3.4×105的模型進行了計算,發(fā)現(xiàn)當網(wǎng)格數(shù)目超過2.1×105時,更加細化的網(wǎng)格對模型預測結果影響不大,因此本文采用的計算網(wǎng)格數(shù)量為2.1×105。

1.5 模型驗證

將噴射器引射率的數(shù)值模擬結果與文獻[20]中的實驗結果進行對比,驗證模擬結果的準確性,如表2所示,數(shù)值模擬結果誤差為-1.52 %～4.03 %,表明本文所使用的數(shù)值模型準確性較好。

表2 數(shù)值模擬結果與實驗結果對比

2 結果與討論

2.1 旁路進口角度的影響

研究旁路進口角度影響時,保持旁路噴射器的其他結構尺寸和工況參數(shù)不變。圖2為旁路噴射器引射系數(shù)、質量流量隨旁路角度的變化圖,其中,μ為引射系數(shù),ms,mp和mb分別是引射流體、工作流體和旁路進口流體質量流量。隨著旁路角度的增加,工作流體質量流量幾乎不變,旁路進口流體質量流量增加,引射流體流量先增加后緩慢減小,噴射器引射系數(shù)先增加后減小。在本研究范圍內,當旁路進口角度為15°時,噴射器引射系數(shù)最大。其中,當旁路進口角度從90°降低至15°時,引射系數(shù)從-0.52增加到0.38;當旁路進口角度從15°降低到5°時,引射系數(shù)從0.38降到0.35。

圖2 旁路噴射器引射系數(shù)和質量流量隨旁路進口角度的變化

圖3和圖4分別為噴射器軸向壓力和軸向馬赫數(shù)分布圖。噴射器內馬赫數(shù)在噴嘴出口附近大于1,說明旁路噴射器處于亞臨界狀態(tài),即工作流體質量流量不隨旁路進口角度的變化而變化。當旁路進口角度從90°降低至15°時,混合室內混合流體壓力降低(見圖3),速度增加(見圖4),混合流體質量流量增加。同時,工作流體質量流量基本保持不變,即混合流體質量流量增加主要是引射流體質量流量增加所致,因此噴射器引射系數(shù)增加。當旁路進口角度從15°減小至5°時,混合流體壓力和速度基本保持不變,即混合流體質量流量變化較小。在工作流體質量流量基本不變的前提下,引射流體流量變化較小,所以旁路噴射器的引射系數(shù)變化較小。

圖3 旁路噴射器軸向壓力分布

圖4 旁路噴射器軸向馬赫數(shù)分布

2.2 旁路進口寬度的影響

在最優(yōu)旁路進口角度下,保持噴射器其他結構尺寸和工況參數(shù)不變,研究旁路進口寬度對噴射器性能的影響。結果如圖5所示。隨著旁路進口寬度增加,噴射器引射系數(shù)先增加后減小。當旁路進口寬度為3 mm時,噴射器引射系數(shù)達到最大,此時旁路進口寬度為最優(yōu)旁路進口寬度。其中,當旁路進口寬度從1 mm增加至3 mm時,引射系數(shù)從0.35增加到0.40,增加幅度為14.3%;旁路進口寬度從3 mm增加至5 mm時,引射系數(shù)從0.40降低到0.37,降低幅度為7.5%。

圖5 旁路噴射器引射系數(shù)和質量流量隨旁路寬度的變化

分析噴射器軸向壓力分布和馬赫數(shù)分布可知(見圖6、7),當旁路進口寬度從1 mm增加至3 mm時,混合室內混合流體壓力降低,速度增加,混合流體質量流量增加。當旁路進口寬度從3 mm增加至5 mm時,混合室內混合流體壓力升高,速度降低,混合流體質量流量降低。同時,從圖7可知,噴射器內馬赫數(shù)在噴嘴出口附近大于1,噴射器處于亞臨界狀態(tài),即工作流體質量流量不隨旁路進口寬度的變化而變化,所以混合流體質量流量的變化主要是引射流體質量流量變化所致,這是該過程中引射系數(shù)先增加后減小的原因。

圖6 旁路噴射器內軸向壓力分布

圖7 旁路噴射器內軸向馬赫數(shù)分布

2.3 旁路進口壓力的影響

在最優(yōu)旁路進口角度和寬度下,保持噴射器其他幾何結構尺寸和工況參數(shù)不變,研究旁路進口壓力對兩相旁路噴射器引射系數(shù)和質量流量的影響。結果如圖8所示。隨著旁路進口壓力的增加,工作流體質量流量不變,旁路進口流體質量流量增加,引射流體質量流量和噴射器引射系數(shù)都先增加后減小。當旁路進口壓力為618.5 kPa時,噴射器的引射系數(shù)最大。其中,當旁路進口壓力從468.5 kPa增加到618.5 kPa,引射系數(shù)從0.35增加到0.64,增加了82.9%。當旁路進口壓力618.5 kPa增加到718.5 kPa,引射系射系數(shù)從0.64降低到0.44,降低了31.3%。

圖8 旁路噴射器的引射系數(shù)和質量流量隨旁路進口壓力的變化

2.4 旁路噴射器與傳統(tǒng)噴射器的性能對比

保持噴射器其他結構參數(shù)和工況參數(shù)相同,改變噴嘴出口壓力,將旁路噴射器與傳統(tǒng)噴射器的性能進行對比,其中旁路噴射器的旁路進口角度、寬度和進口壓力分別設置為15°、3 mm、618.5 kPa,結果見圖9。兩噴射器的質量流量和引射系數(shù)變化趨勢相似,其中隨著噴嘴出口壓力增加,工作流體質量流量基本保持不變,引射流體質量流量和引射系數(shù)降低。相同出口壓力下,與傳統(tǒng)兩相噴射器相比,旁路噴射器的引射系數(shù)提高了25.7%～56.8%,其中在較低出口壓力下,旁路噴射器引射系數(shù)提高幅度更大。

圖9 旁路噴射器和傳統(tǒng)噴射器引射系數(shù)隨出口壓力的變化

分析傳統(tǒng)噴射器和旁路噴射器內軸向壓力分布和馬赫數(shù)分布(見圖10、11)可知,出口壓力相同時,傳統(tǒng)噴射器和旁路噴射器的噴嘴內部壓力和馬赫數(shù)變化相同,在噴嘴出口處馬赫數(shù)都大于1,說明兩噴射器都處于亞臨界狀態(tài)。與傳統(tǒng)噴射器相比,旁路噴射器在混合室內壓力更低速度更高,混合室內流體質量流量更大,由于兩噴射器工作流體質量流量基本相同,所以旁路噴射器引射流體質量流量較高,引射系數(shù)較大。

圖10 旁路噴射器和傳統(tǒng)噴射器軸向壓力分布

圖11 旁路噴射器和傳統(tǒng)噴射器軸向馬赫數(shù)分布

3 結論

(1)噴射器結構尺寸及工況條件固定時,引射系數(shù)隨旁路進口角度、旁路進口寬度、旁路進口壓力的增加先增加后減小。

(2)存在最優(yōu)的旁路進口角度、進口寬度和最優(yōu)旁路進口壓力,使噴射器的引射效率最大。在本文的研究范圍內,最優(yōu)旁路進口角度為15°,進口寬度為3 mm,最優(yōu)旁路進口壓力為618.5 kPa。

(3)工況相同時,最佳旁路結構尺寸和旁路進口壓力下,旁路噴射器的引射系數(shù)較傳統(tǒng)噴射器提高了25.7%～56.8%。