基于MATLAB 的除油霧空氣引射器設計計算

盧大杰 李耀華 錢革蘭 張永生

（阿特拉斯·科普柯（無錫）壓縮機有限公司）

氣體引射器是一種輸送氣體的裝置，通過高壓氣體流經引射器噴嘴產生的高速射流去引射另一種低壓氣體。 這種裝置不需要采用任何動力裝置就能夠把主引射流的壓力能轉化成動能，具有運行穩定、不易損壞、低能耗和靜音的優點，近年來逐漸發展成一種成熟的氣體輸送裝置，在化工、空氣壓縮機、航天航空和制冷行業廣泛應用。目前，學者們大多主要關注的是引射器性能方面的 研 究［1～5］，并 未 給 出 具 體 與 全 面 的 設 計 計 算 方法。

由于阿特拉斯·科普柯（無錫）壓縮機有限公司某項目需要，筆者對除油霧空氣引射器進行設計計算。 此項目的主流氣體和被引射氣體的壓力比（大于1.89）較大，當引射器的壓力比較大時，等壓引射器的引射效率較大［1］。雖然Huang B J 等給出了較為精確的等壓引射器性能計算關系式［2］，但是文獻［1］研究的是引射制冷劑的性能。為此，筆者把這些關系式處理成適用于除油霧空氣引射器尺寸設計計算的形式，并給出具體的計算流程，利用MATLAB 軟件計算除油霧空氣引射器的主要結構尺寸，以便于工程技術人員利用。

1 除油霧空氣引射器設計計算

等壓混合引射器（圖1）的混合室由收縮段和平直段構成。 在收縮段，主流氣體與被引射氣體的混合是等壓混合過程，軸線方向氣流的靜壓保持不變。 在平直段，氣流由超音速變為亞音速，軸線方向的氣壓不斷升高。

圖1 等壓混合引射器結構示意圖

引射器內部經歷著一系列復雜的流動與換熱過程，因此需要做一些理想化假設：

a. 學者們的經驗發現采用1-D 模型的計算結果與實驗結果較為吻合，因此將引射器模型簡化成1-D 穩定流動模型；

b. 將工作氣體視為理想氣體，即流動混合過程中熱物理參數 （如絕熱指數γ 和定壓比熱容Cp）是恒定的；

c. 忽略主流氣體入口、被引射氣體入口和混合氣體出口處的動能；

d. 氣體在引射器中的流動過程是絕熱的，并且忽略壁面上的摩擦損失；

e. 兩種氣體在y-y 截面才開始混合， 在y-y截面處主流氣體與被引射氣體的壓力是相等的。

1.1 主流氣體流動特性關系式（從主流氣體進口到y-y 截面）

為了便于簡化公式和編程，定義中間參數a：

對于給定的主流氣體進氣壓力pg和進氣溫度Tg，通過噴嘴的質量流量·mp計算式為：

其中，At是噴嘴喉部面積，ηp是主流氣體流經噴嘴的等熵效率。

定義任意處的截面積與喉徑（M=1）處的面積比是馬赫數的函數，則有：

噴嘴出口馬赫數Mp1、噴嘴出口截面積Ap1和噴嘴出口壓力pp1之間有如下近似關系：

從1-1 截面到y-y 截面，馬赫數Mpy和Mp1、截面積Apy和Ap1與壓力ppy和pp1之間的關系可由等熵關系式表示，即：

其中，φp為等熵效率。

1.2 被引射氣體流動特性關系式（從被引射氣體進口到y-y 截面）

被引射氣體在y-y 截面達到阻塞狀態， 此時Msy=1，對于給定的被引射氣體進氣壓力pe，有：

在y-y 截面處主流氣體與被引射氣體有相同的壓力，即ppy=psy，則Asy為：

其中， ·ms是被引射氣體的質量流量，ηs是被引射氣體的等熵效率。

1.3 混合氣體流動特性關系式（從y-y 截面到3-3 截面）

3-3截面處的截面積A3等于Apy與Asy之和，即：

在y-y 截面處， 溫度和馬赫數之間有如下關系：

主流氣體與被引射氣體在混合過程中（從y-y截面到m-m 截面）遵循動量和能量守恒，即：

其中，φm是混合氣體絕熱效率。 Vpy、Vsy、Vm計算式如下：

混合后的氣體由超音速轉變為亞音速， 在軸線方向會有急劇的壓力升高， 符合動力學關系式：

其中，p3是3-3 截面處混合氣體壓力，M3是3-3 截面處混合氣體的馬赫數。

噴管出口處混合氣體是亞音速，則有：

混合氣體引射器出口馬赫數Mc、截面積Ac和壓力pc有如下近似關系：

其中，A3是3-3 截面處的截面積。

噴嘴出口1-1 到混合室平直段入口2-2 的距離通常為喉徑的1.5～1.6 倍。 平直段的長度約為混合室直徑的3～5 倍，考慮到被引射氣體含有油霧，可以把混合室長度選取得長一點。 噴管的半角通常在2～5°。

2 主要結構尺寸計算流程與結果

根據上述公式，用MATLAB 軟件進行編程計算，給定的初始條件有主流氣體的壓力pg和溫度Tg，被引射氣體的壓力pe和溫度Te，質量流量m·s，混合氣體出口背壓pc*。通過計算可以得到喉徑Dt、喉徑出口直徑D1、 混合室直徑D3和引射器出口直徑Dc。 計算流程如圖2 所示。

圖2 等壓混合引射器主要結構尺寸計算流程

除油霧空氣引射器的初始參數如下：

主流氣體壓力pg6.00bar（A）（1bar=0.1MPa）

主流氣體溫度Tg313K

被引射氣體壓力pe0.84bar（A）

被引射氣體溫度Te313K

被引射氣體質量流量m·s0.022kg/s

混合氣體出口背壓pc* 1.163bar（A）

主流氣體介質 壓縮空氣

被引射氣體介質 油霧空氣

代入上述數值，計算得到喉徑Dt=6mm，喉徑出口直徑D1=8.8mm， 混合室直徑D3=15.3mm，引射器出口直徑Dc=27.1mm。 根據計算結果筆者設計了一款引射器，其實物如圖3 所示。 經過測試，發現該引射器除油霧效果良好。

圖3 引射器實物圖

3 結束語

用空氣壓縮機上除油霧空氣引射器替代傳統的電動風扇除油霧器具有靜音、 節能的優勢。筆者根據等壓引射器的特性關系式，給出具體等壓氣體引射器結構設計計算方法，便于工程技術人員使用。 經測試驗證證明，筆者設計的引射器尺寸方案可行，后續需要進一步的實驗來驗證不同尺寸方案的優劣，以提高引射器的使用性能。