可調式空氣噴射器的數值模擬*

2020-03-16 08:29:54張曉峰高雯雯

化工科技 2020年1期

黨睿，楊寧，張曉峰，高雯雯

(1.榆林學院化學與化工學院，陜西榆林 719000；2.陜西省計量科學研究院，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生能量交換，以形成一股居中壓力流體的裝置。其主要特點是提高引射流體的壓力而不直接消耗機械能，沒有運轉部件維護方便。主要部件有工作噴嘴，接受室，混合室，擴散器[1-3]。其中空氣噴射器以高低壓空氣為流體介質，廣泛應用于工業生產中，如在干燥及真空行業，代替機械真空泵；在污水處理行業，代替傳統曝氣設備等。

傳統的單噴嘴噴射器前人研究很深入很豐富，包括其結構設計，特性研究，調節性能等[1-3]。多噴嘴噴射器也有報道，蔡琴[4]等提出了一種多噴嘴射水式水噴射加熱器，并進行了研究。平凡[5]等對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對系統引射能力和加熱能力的影響。童明偉[6]等對一種射汽式多噴嘴水噴射器的加熱性能進行了理論及實驗分析。馬昕霞[7-11]等對多噴嘴汽-液兩相噴射器建立了理論模型，結合實驗對模型進行了驗證；采用濕蒸汽為工作流體，分析了蒸汽壓力、干度及出口背壓對噴射器性能的影響規律；設計了一種在混合室壁面加側向孔的結構，產生二級引射，以提高噴射系數。祝銀海[12]等以氮氣為流體，對帶有旁通型噴嘴的噴射器進行了實驗研究，得出了噴嘴環隙結構對引射能力的影響規律。對可調式空氣噴射器的研究較少報道，作者將從多噴嘴和噴嘴距離可調方面，通過數值模擬，對可調式空氣噴射器進行研究。

1 幾何模型及數值模擬

1.1 幾何模型及網格劃分

多噴嘴空氣噴射器的結構見圖1。尺寸見表1(4個噴嘴)。工作原理與普通噴射器相同，結構相似，是把1個噴嘴按等面積法進行多個噴嘴設計，且噴嘴上設置調節機構使噴嘴可以縱向移動，以改變噴嘴出口超出混合室距離l0[3]。將原來單一通道工作流體變成多個通道，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定性，可以隨時適應工況操作等優勢。

圖1 多噴嘴噴射器結構

表1 噴射器的基本設計尺寸

假設引射流體在噴嘴入口均勻進入接受室，進行數值模擬時，將引射流體入口簡化為噴嘴環向，工作流體帶動引射流體進入混合室，在接受室內二者沒有進行混合，簡化后的多噴嘴噴射器三維結構及網格見圖2。

圖2 簡化后的多噴嘴噴射器的三維結構及網格

1.2 數值模擬

采用FLUENT 3D求解器求解，湍流方程采用標準的k-epsilon方程，應用基于密度的隱式求解器，流體域為空氣，定壓比熱、熱導率及黏度遵循piecewise-linear，工作進口采用壓力入口邊界設置，高壓氣體為1.5 MPa；引射進口采用壓力入口邊界設置，低壓氣體為0.2 MPa；出口采用壓力出口邊界設置，混合氣體為0.3 MPa[12-14]。適當調節庫朗數、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 各參數對多噴嘴噴射器的影響規律

2.1 同時工作噴嘴個數對噴射器性能的影響

改變工作噴嘴個數從1增加至4。噴嘴出口所在截面端面壓力云圖見圖4，噴射系數隨工作噴嘴數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數，有工作氣流通過的噴嘴，噴嘴出口與混合室壓差較大，噴嘴出口壓力高。由圖5可知，隨同時工作噴嘴數目的增加，噴射系數呈升高趨勢。因為噴嘴工作數目的多少會影響到噴嘴出口的工作氣體流量的多少。噴嘴數目少時，工作氣體流量少，無法抽吸引射流體，噴射系數較低甚至接近于0。工作噴嘴數目從3個增加到4個，噴射系數上升較大，因更接近于設計工況。

a工作噴嘴數1

b 工作噴嘴數2

c工作噴嘴數3

d 工作噴嘴數4圖4 工作噴嘴數目不同時噴嘴出口所在截面壓力云圖

噴嘴數目/個圖5 工作噴嘴數目對噴射系數的影響

2.2 噴嘴出口距離對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行。分析中采用工作噴嘴數目為4個，改變噴嘴出口超出混合室距離從10 mm至25 mm，即使噴嘴向擴壓器喉部移動。噴嘴出口所在截面端面壓力云圖見圖6，噴嘴出口距離l0對噴射系數的影響曲線見圖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，噴射系數上升。噴嘴出口距離過小時，噴射系數甚至為負值，因為此時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，進而從引射入口流出[15]。噴嘴出口距離越大對引射越有利，但需要考慮結構上是否可以滿足。綜上所述，噴嘴出口距離在噴射器設計中是非常關鍵的結構參數之一，必須合理調節才能使噴射器正常工作穩定工作。