基于計算流體力學模擬的蒸汽噴射器結構優化探究

成泓達 伍朝暉*

四川省綿陽市東辰國際學校 621000

基于計算流體力學模擬的蒸汽噴射器結構優化探究

成泓達 伍朝暉*

四川省綿陽市東辰國際學校 621000

一般采用氣體動力學或一維理論方法進行蒸汽噴射器的設計和分析，然后采用這些方法得到的幾何結構不是最為理想的。本文針對余熱回收的蒸汽噴射器內部流場采用計算流體力學方法模擬數值，就各種因素對噴射系數的影響進行分析，包括噴嘴喉部直徑、等截面段直徑以及混合室入口直徑等，接著憑借正交分析法的采用對噴射器多結構參數的變化進行分析，表明采用正交分析法得到的噴射器結構參數組合，可以促使噴射器性能得到提高。

蒸汽噴射器；數值模擬；結構優化；正交分析

噴射器是一種混合升壓設備，其結構不復雜，并且便于操作，主要能夠憑借高壓流體這一動力，噴射器吸進低壓流體進行混合升壓，得到壓力適中的混合流體。噴射器能夠實現余熱蒸汽的二次利用。噴射器結構設計需要考慮工作性質以及工作狀態條件，需要采用不同的結構參數，因此其設計具有較高的復雜性。以往采用的簡化設計方法，往往容易導致設計出的噴射器結構不滿足實際要求，所以，有必要優化噴射器結構的設計，采用計算流體力學的方法，使噴射器結構設計更加精確。

一、蒸汽噴射器設計和模擬

選定噴射系數這一重要的性能指標作為評價指標。本設計中需要回收利用的低壓蒸汽壓力為0.17MPa，混合蒸汽壓力至少應為0.42MPa，工作蒸汽采用高達1.10MPa的蒸汽，上述都是飽和蒸汽，采用氣體動力學函數法設計的噴射器結構尺寸具體如圖1所示。

因為噴射器二維軸對稱結構和三維結構結果比較相符，所以數值求解采用二維軸對稱結構。和工作流體的速度進行比較，引射流體的入口速度明顯更慢，因此可對引射流體的側向入口進行簡化，得到軸向環形入口。進出口的邊界條件采用壓力邊界條件，同時蒸汽假定為理想狀態，噴射器壁面不發生熱傳導并且穩固，且使用ICEM劃分網格同時網格加密邊界層與壁面處。如果各變量的迭代殘差在10-6以下，并且進出口的質量流量不發生變化，則表示已經完成求解。本文采用Flunent14.0軟件分析數值，對模型進行網格的獨立性分析確保網格質量和數值正確的格式。同時結合有關學者試驗得出的數據和操作條件，驗證湍流模型，證明了該模擬過程的可行性。

二、單參數敏感度分析

根據有關資料，得知以下因素對噴射器結構產生的影響最大，例如混合室入口直徑、等截面長度以及面積比等。這里對噴嘴喉部直徑和等截面段直徑這兩個參數進行研究，分析其對噴射系數產生的影響。研究表明，噴嘴喉部從小變大過程中，引射蒸汽質量流量和噴射系數先增后減，工作蒸汽質量流量則呈現不斷增大的趨勢。等截面段直徑增大，噴射系數先增后減。這是因為本文中等截面段直徑等于75.5mm情況下，噴射系數達到臨界值0.23，等截面段直徑逐漸增大，引射蒸汽的流量和噴射系數發生相同的變化，工作蒸汽的流量與狀態保持不變，也就是混合室內主流核心區不發生變化，因此在引射蒸汽有效面積增大的過程中，噴射系統隨之增大，根據能量守恒原理，引射流體速度將達到極限，也就是噴射器處于亞臨界狀態，噴射系數開始減小。

三、正交分析

采用正交分析法分析噴嘴喉部直徑、混合室入口直徑、等截面段直徑、NXP以及等截面段長度等因素。排除因素間的相互作用，各因素取5水平，使用L25（56）正交表進行分析。如圖2所示為各因素和水平的選取，通過正交表的設計，經過25次數值模擬試驗得到噴射系數的最大值。

取各因素下噴射系數的平均值，使用極差分析法對各因素的最佳水平進行分析，得出水平3是噴嘴喉部直徑的最佳水平，采用相同的方法得出其他因素的最佳水平，得到各因素最佳水平的最優組合。在Fluent中取各因素的最佳水平值進行數值模擬計算，得出噴射系數值0.24，也就是正交分析法下最佳噴射系數。各因素下水平均值的變化，發現混合室入口直徑的增大，將導致噴射系數發生先增再減后不變的變化。而其他結構參數的增大，噴射系數發生先增后減的變化。根據正交試驗結果分析，發現等截面段直徑對噴射系數產生的影響最大，噴嘴喉部直徑以及混合室入口直徑對噴射系數產生的影響最小。因此，面積比保持不變的情況下，分別對等截面段直徑或者噴嘴喉部直徑進行改變，能夠對噴射器的性能產生不同的影響。分析比較正交試驗分析法的結果和單一結構參數變量分析的結果，發現兩者結果存在一定差異。而單個結構參數變量分析未考慮結構參數變化對蒸汽噴射器內部流動現象的影響。而正交分析法得到各結構參數變化時噴射系數所發生的變化，采用極差分析的方法能夠得到各結構因素下最優水平的組合，得出噴射系數的最大值。方差分析法的利用，也可使各結構變化對噴射系數產生的具體影響得到明確，這是一維理論計算方法和單一變量分析法所不能比的。

四、結論

根據模擬結果發現，噴射系數隨噴嘴喉部直徑、等截面段直徑、混合室入口直徑以及噴嘴出口與混合室入口的距離的增大出現先增后減的變化，而隨等截面段長度的增大先增再減最后逐漸穩定。

根據正交分析得出，噴嘴喉部直徑為39.5mm，混合室入口直徑為82mm，等截面段直徑為73mm，噴嘴出口與混合室入口的距離為0，等截面段長度為414mm時，蒸汽噴射器的噴射系數最大，性能最佳。

雖然面積比在噴射器設計參數中比較重要，但是噴嘴喉部直徑和等截面段直徑產生的影響不同，等截面段直徑的影響更大，對兩者分別進行改變使其達到相同面積比，發現噴射器的性能差異明顯。

噴射器的結構尺寸經過優化，發現噴射系數達到0.24，表明正交性試驗法用于噴射器結構設計優化可行，并且和單結構參數優化方法相比，正交性試驗法能夠取得更好的優化效果。

(通訊作者：伍朝暉)

[1]樊盼盼.噴射器內部流動特性建模分析研究[D].東南大學,2015.

[2]陽俊.蒸汽噴射制冷系統數值模擬與分析[D].大連交通大學,2012.

[3]邵天.蒸汽噴射器的數值模擬分析與研究[D].河北工業大學,2013.

[4]李宇.新型噴嘴結構蒸汽噴射器性能的三維數值研究[J].石油化工設備技術,2014,05:19-22+5-6.

[5]王立慧,趙龍,張學建,張裕中.基于CFD數值模擬的蒸汽噴射器結構研究[J].化工進展,2013,12:2852-2858.