多噴嘴無擴壓室引射器性能計算的研究

劉劍飛，袁慶燕

（1.空裝駐新鄉地區軍事代表室；2.新鄉航空工業（集團）有限公司，河南 新鄉453049）

0 引言

直升機環控系統在地面停機狀態或低速飛行狀態下工作條件非常惡劣，為此在環控系統制冷組件的散熱器冷風道上加裝引射器，以保證散熱器冷邊流量，改善環控系統的工作條件。多噴嘴引射器由于具有混合室長度短，流場分布均勻，重量輕等優點，被越來越多地應用到直升機上。

Zeune和Runkin[1]運用動量平衡方程建立了引射器的基本理論基礎；Keenan和Neulnann[2]建立了一維等壓混合模型，該模型是現在引射器理論分析的主要計算模型；Stoecker[3]認為引射流體經接受室收縮段加速后達到聲速，然后工作流體和引射流體以臨界壓力進行混合；Kim[4，5]等人用CFD軟件模擬分析了引射器喉管面積對引射性能的影響。

王鎖芳、李立國[6]對六噴嘴超音速進行性能計算和試驗驗證，結果表明隨著工作流體的壓力比引射流體（PP/PH）的增加，引射比和引射比修整系數下降；邱義芬[7]等人提出了多噴嘴引射器的計算方法，并經試驗驗證，結果表明該方法精度較高；廖達雄[8]等人采用一維的處理方法，分析了各參數對引射性能的影響；何培杰[9]等人采用大渦模型對引射器的內部流動進行二維仿真計算，結果表明該方法可以較好的模擬引射器內部流動。

這些研究均偏重于標準結構的引射器研究，即該類引射器有噴嘴、接受室、混合室和擴壓室完整的結構，而對無擴壓室的引射器研究較少，由于航空領域對重量指標要求較高，無擴壓室引射器運用更為廣泛。因此，本文對多噴嘴無擴壓室引射器性能進行理論分析，為該類引射器工程設計提供理論依據。

1 工作原理簡介

從發動機引來的高溫高壓氣體通過引射器噴嘴的膨脹作用形成一股射流，這股射流暴露在冷風道的低能量流中并且在高、低能量兩股流體之間形成一個剪切面，通過粘性剪切力和流體擴散的機械作用，高速工作流體的動量和動能逐漸傳遞給吸入的引射流體，當混合完成后，工作流體和引射流體將成為能量和速度分布相同的一股流體，從而達到引射的目的。工作介質流叫做工作流體。工作流體以很高的速度從噴嘴出來，進入噴射器的接受室，并把在噴射器前的壓力較低的介質吸走，被吸走的流體叫做引射流體。

引射器的工作原理是基于以下三個基本物理定律。

（1）能量守恒定律

ip+ μiH=（1+ μ）ic

式中：ip為在滑油散熱引射器前工作流體的焓，kJ/kg；

iH為在滑油散熱引射器前引射流體的焓，kJ/kg；ic為在滑油散熱引射器之后混合流體的焓，kJ/kg；

（2）質量守恒定律

式中：GP為工作流體的質量流量，kg/s；

GH為引射流體的質量流量，kg/s；

GC為混合流體的質量流量，kg/s。

（3）動量守恒定律

式中：ωP1為在混合室入口截面上工作流體的速度（m/s）；

ωH1為在混合室入口截面上引射流體的速度（m/s）；

ωC為在混合室出口截面上混合流體的速度（m/s）；

PP1為在混合室入口截面上工作流體的靜壓力（Pa）；

PH1為在混合室入口截面上引射流體的靜壓力（Pa）；

PC為在混合室出口截面上混合流體的靜壓力（Pa）；

fP1為進入混合室時工作流體的截面面積（m2）；

fH1為進入混合室時引射流體的截面面積（m2）；

fC為在混合室出口處混合流體的截面面積（m2）；

2 引射器性能分析

2.1 理論計算

（1）計算相對壓力

相對壓力：指在給定截面上等熵流動氣體靜壓力與滯止壓力之比。

式中，PH為引射流體壓力，Pa；

PP為工作流體壓力，Pa。

（2）根據 ΠPH和氣體動力函數表得到：λPH，qPH，εPH。

其中，λPH為折算等熵速度；

qPH為折算質量速度；

εPH為相對密度。

（3）計算混合流體出口溫度

式中，TC為混合流體溫度，K；

TP為工作流體溫度，K；

TH為引射流體溫度，K。

（4）計算相對比體積

因為壓力pc事先不知道，預先取pc=pH。可以得到：

（5）計算最佳截面比（fc/fp*）最佳

在計算過程中，速度系數值選定為：φ1=0.95；φ2=0.975；φ3=0.9；φ4=0.925

式中，a= φ1φ2qPH；

（6）計算特性曲線方程

式中，fH2=fc-fp1

本文以給XX型飛機配套的滑油散熱引射器為例，進行性能分析。

試驗件的物理結構為：引射流體入口面積為480 mm×240 mm；混合流體入口面積為260 mm×200 mm；噴嘴的喉部直徑d1為3.6 mm，出口直徑為5 mm，噴嘴共有20個，均勻分布在200 mm×100 mm的長方形邊線上；噴嘴出口距混合室入口的長度為250 mm，混合室長度為300 mm。計算結果如表1所示。

表1 理論計算引射比（μ1）

2.2 仿真計算

本文使用Ansys17.2軟件，采用標準的k-ε雙方程模型，運用雷諾時均方程法對模型進行仿真計算。

2.2.1 仿真計算模型

在ANSYS-Workbench中導入引射器的三維模型，對其進行合理簡化，最終得到的仿真計算模型如圖2所示。

圖2 流體簡化模型

2.2.2 計算流體域網格劃分

本文采用了四面體單元對其進行網格劃分，經網格無關性驗證分析，最終網格單元數量1000萬。

2.2.3 邊界條件的確定

從引射器結構圖，可以得出共有5個邊界：工作流體入口、引射流體入口、引射器壁面、對稱軸和混合室出口。

（1）工作流體入口邊界條件

工作流體入口邊界條件設為速度入口，速度大小由工作流體的溫度來確定。

（2）引射流體入口邊界條件

引射流體入口邊界條件取壓力入口邊界，引射流體入口壓力為一個大氣壓，即101 kPa（絕壓），溫度為25℃。

（3）引射器內壁面處理

本模型取固壁邊界，即零速度邊界條件，同時認為引射器與外界無熱交換。

（4）中心對稱軸邊界條件

中心對稱軸取物理模型的對稱軸。

（5）混合室出口邊界條件

混合室出口邊界取壓力出口邊界，本模型認為混合流體的出口壓力為大氣壓，即101 kPa（絕壓）。

2.2.4 仿真結果分析

為清楚的反應引射器內部的流場分布情況，本文截取沿流動方向的截面。

（1）速度場分布（如圖 3）

圖3 速度流場分布圖

（2）流線圖（如下圖）

圖4 流線圖

（3）組分分布云圖（如圖5）

圖5 組云布云圖

經仿真分析可知，引射器在工作壓力0.48 MPa（絕壓）、溫度265℃，入口流量為756 kg/h，被引射的冷邊入口質量流量為9 637.2 kg/h，引射比為12.7。試驗值為12.14，理論計算與試驗值較為接近。由于計算量較大，本文僅對一個點進行仿真計算，導致結果存在一定的偶然性。

2.3 試驗分析

2.3.1 試驗裝置

試驗裝置主要由試驗件、工作流體管路、混合流體管路和測量溫度、壓力流量儀表等組成。試驗的測試系統如圖6所示。

圖6 試驗的測試系統

2.3.2 試驗結果和分析

試驗結果如表2所示。

表2 試驗數據

定義一個新的函數來評價理論計算的誤差率。

式中，μ1為理論計算的引射比；μ2為試驗測出的引射比。

計算結果如表3所示。誤差率變化曲線如圖7所示。

表3 誤差表

圖7 誤差率

通過上述分析，理論計算的誤差率小于10%，計算精確度較高，可以滿足工程設計需求。

3 結論

通過以上的理論分析和試驗對比可以得出以下結論：

（1）本文中給出的引射比計算方法誤差小于10%，說明本文給出的計算方法是準確可靠的，可以滿足工程設計需求。

（2）工作流體的溫度和壓力對理論計算的精度影響較小。