蒸汽喷射器喷嘴结构及操作参数的优化研究

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蒸汽喷射器是一种利用高速蒸汽射流携带被抽气体的流体机械,它具有结构简单、无需运动部件、便于维修、工作介质广泛等明显的优点,广泛的应用于真空工程、化工、石油工业、制冷领域、海水淡化等领域,但是蒸汽喷射器也有效率偏低,实际应用占地体积较大等缺点,这一定程度上限制了蒸汽喷射器的更广泛应用。近年来,随着当前世界被能源危机所困扰,蒸汽喷射器作为一种环保设备被重视程度越来越高,研究者们对喷射器的研究进入了新的阶段。最近几十年,随着计算机技术的发展,学者们对喷射器的内部流场结构以及喷射器抽气特性的优化变成了可能。喷射器内部流动过程复杂,存在着激波、边界层、壅塞等作用现象,目前的混合机理还没有明确,其中喷嘴对喷射器性能的影响至关重要,本文以喷射制冷试验系统的喷射器作为计算模型,通过计算流体力学方法,数值模拟了不同喷嘴结构及不同操作参数对喷射器抽气性能的影响,本文的主要内容主要包括:1.为了验证模拟结果的准确性,将实验室的喷射制冷系统的壁面压力分布与模拟得到的壁面压力分布图进行对比,对比结果表明模拟结果和实验测得数据有较好的一致性,证明了模拟结果的可信度。2.研究了同一喷嘴结构下不同结构参数喷射器的性能。研究了不同喉部直径、不同出口位置、不同渐缩段和渐扩段角度的喷嘴对喷射器的内部流场结构和性能的影响,研究发现,当喷嘴喉径和喷射器的直径比为0.08时,喷射器的引射系数达到最高,过大或者过小的喷嘴喉径都会是使引射系数降低,同时两者都会发生边界层脱离现象,但是脱离的位置不同,存在最佳的喷嘴出口位置使喷射器的引射系数达到最高,渐缩段角度对喷射器性能无影响,但是需要大于0度,渐扩段的角度要大于等于6度。3.研究了不同操作参数对喷射器性能的影响。研究了不同的工作蒸汽压力、引射蒸汽压力、出口背压下的喷射器的流场结构以及引射系数。研究结果表明,引射系数随背压提高先不变后急剧减少,在喷射器临界模式下,提高背压,喉部出口处的激波位置会向上移动,混合室的现象保持不变,继续提高背压,在亚临界模式下,混合室内的工作状态被打破,出现严重的边界层脱离现象;随着工作蒸汽压力的增加引射系数先增加后减少,射流核体积会一直变大;引射蒸汽压力的增加会导致引射系数的提升,二者的关系为正比例函数且引射蒸汽的提升可以提高喷射器的抗背压能力。4.对喷射器性能影响最大的喷嘴喉径进行研究,研究发现喷嘴喉径越大的喷射器抗背压能力越强,但是最高的引射系数越低,喷射器可以工作的最高背压越大;如果工作蒸汽压力变化,随着工作蒸汽压力增加不同喉径的喷射器引射系数总会达到最佳值,达到最佳值的工作蒸汽质量流量为固定值;喷嘴喉径越小,引射系数随引射蒸汽压力的提高的速度越快。本文通过对不同喷嘴结构参数和操作参数喷射器的综合分析,通过对喷射器内部的流动情况(射流核现象、激波现象、边界层脱离现象)的综合分析,对喷射器的结构设计和操作参数的设计提供帮助。
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