基于CFD的多噴射器數值模擬

張俊杰

（廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室，廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004）

噴射器是一種無運動部件的升壓裝置，其組成如圖1所示。近年來一些學者對其進行了研究。

圖1　噴射器示意圖

K Banasiak等人[1]對一臺CO2兩相流噴射器進行了數值模擬研究，模擬過程中CO2采用實際氣體模型，使用均相成核延時均衡模型來研究跨臨界流的亞穩態現象，和實驗結果對比結果表明此模型能夠較好地預測噴射器內流場情況。丁學俊等人[2]使用二維軸對稱模型對蒸汽噴射器進行了數值模擬研究，分析了工作蒸汽壓力、引射蒸汽壓力和混合蒸汽壓力變化對噴射器的引射系數以及內部流場激波的影響。沈勝強和張琨[3]提出在噴射器噴嘴內插入噴針來調節噴射器的方案，并建立計算模型。通過模擬計算后發現，通過對噴射器出口面積的調節可以改變噴射器的質量流量。Bodys等人[4]對一種全尺寸CO2多噴射器模型進行了模擬分析。他們分別研究了單噴射器和多噴射器運行的情況，研究結果表明，帶多噴射器的CO2制冷系統可以適應不同的制冷工況，并且更加高效、穩定。

本文提出一種新的多噴射器模型，并對其進行建模與研究，分析了在指定邊界條件下，噴射器流量的變化規律。和以前的研究相比較，本文所建模型有如下不同：

（1）四個噴射器共用一個引射室；

（2）四個噴射器除引射室外各個部分獨立存在；

（3）四個噴射器集成為一個設備。

1　多噴射器建模與網格劃分

本文所研究噴射器采用文獻[5]中公布的尺寸，并在此基礎上對按照一定的比例對其進行放大與縮小建立多噴射器。建立后的三維模型如圖2所示。

圖2　多噴射器三維模型

各噴射器的主要尺寸如表1所示。

表1　各噴射器的主要尺寸

本文研究中采用anasys中的mesh軟件進行網格劃分，考慮到模型的復雜性，采用一鍵生成功能建立四面體網格。網格數量為517 191.劃分后的網格如圖3所示。

圖3　網格劃分圖

2　模擬與分析

（1）模擬方法

本文模擬中，噴射器主噴嘴和引射噴嘴采用壓力入口邊界條件，擴散器出口采用壓力出口邊界條件。CO2物性調用UDF以及多項式耦合的方法。

本文主要研究不同噴射器組合下噴射流量的變化規律，在模擬不同噴射組合時，工作噴射器的邊界條件采用前述方法設置，將不工作的噴射器關閉，即將其所有的邊界設置為wall.

本文采用非穩態模擬，湍流模型采用SST k-ω模型，多相流模型為mixture模型，并且采用Coupled算法。確定的具體邊界條件參數如表2所示。

表2　模擬邊界條件設置

（2）結果分析

本文主要研究不同噴射組合下噴射器流量的變化情況。表3顯示了不同噴射組合下噴射器質量流量以及噴射系數的變化。

表3　流量與噴射系數

當模擬單開噴射情況時，噴射器引射流體流量隨著主噴嘴尺寸的增加而緩慢增加，其中ej2和ej3引射流量基本相同，但ej3的噴射系數為ej2的一倍，產生這種現象的原因是，ej3的主噴嘴尺寸小于ej2，且所設計三維模型中引射入口接近ej3，所以較ej2，它能夠較容易地將引射流體吸入，使其噴射系數較大。由于ej4噴嘴尺寸較小，且其位置離引射室較遠，致使其引射流量為負值，故表3中此項以及噴射系數項為空。

噴射器雙開時，ej2+ej3、ej2+ej4、ej3+ej4 三個噴射組合引射流體質量流量之間緩慢變化，使用這三種組合可以連續控制制冷系統的制冷劑供應。而ej1+ej2、ej1+ej3、ej1+ej4三個組合引射流體流量之間相差不大，但ej1+ej2組合的噴射系數較其他兩種最大，為了發揮噴射器的最大性能，在此流量所能滿足制冷所需制冷劑流量時，應該優先考慮ej1+ej2組合。

噴射器三開時，和前面的單開以及雙開相比較，引射流體流量有明顯的上升，這與所設想的實際情況相符合。此情況下，選擇不同的組合能夠很好地滿足制冷所需制冷劑供應。

噴射器全開時，引射流體流量最大，此時可以滿負荷工作，在制冷量需求很大的情況下比較適用。

值得注意的是，ej1+ej2和 ej1+ej2+ej4、ej1+ej3和ej1+ej3+ej4、ej2+ej3和ej2+ej3+ej4，這幾種組合的引射流量比較接近，所以，利用ej4可以對制冷系統的流量進行微調。

3　結論

通過分析，本文所提多噴射器模型能夠靈活地對制冷系統所需制冷劑流量進行控制，并且必要時候能夠對其實現微調節。