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蒸汽喷射器的理论及数值研究

徐海涛  
【摘要】: 蒸汽喷射器是提高流体压力而不直接消耗机械能的设备,因其结构简单可靠、运转费用低廉而得到广泛应用,如真空系统、制冷循环、火箭和喷气飞机的推进系统,乃至核电厂的核心冷却系统等。蒸汽喷射器虽然结构简单,但其设备内部气体的超音速混合过程非常复杂,存在着激波、边界层、剪切层的交互作用,混合机理尚不清楚。现有的设计理论大都采用半经验半理论的办法,误差较大。在工程实践中,蒸汽喷射器仍存在着运行不稳定、动态调节性能差、设计性能与实际性能不一致等问题。因而,对蒸汽喷射器的理论机理进行深入研究,完善喷射器一维设计理论,从而为操作条件及结构参数的优化设计提供理论依据,实现喷射系数、压缩比、膨胀比、(火用)效率、性能系数、投资费用的最佳匹配,具有重要的学术价值及工程意义。为此,本文从理论分析及数值模拟两方面对喷射器的设计理论进行探讨,主要研究工作和结论有: (1)在112篇相关文献的基础上,对喷射器理论、实验及数值研究诸方面作了回顾,并对两种理论——定压混合理论及定常面积混合理论,三种方法——经典空气动力学法、热力学法及数值模拟法作了较为详细的阐述。 (2)从热力学状态参数变化的角度出发,在作了6项假设之后分别利用热力学第一定律及第二定律分析了蒸汽在喷嘴、混合段及扩散段内的工作过程,籍此建立了蒸汽喷射器喷射系数计算的理想模型、动量守恒模型及动能守恒模型。采用IAPWS—IF97公式计算水蒸汽热力参数,对喷嘴、混合段及扩散段的效率对单级蒸汽喷射器(火用)效率的影响作了分析。结果表明,动量守恒模型虽在数学上与理想模型有一定的差异,但若采用适当的效率系数可以取得与经验数据满意的一致性;而动能守恒模型虽然当所有效率等于1时能与理想模型相一致,却很难找到一组系数使之与经验值相吻合。实际中,采用动量守恒模型计算喷射系数及压缩压力,动能守恒模型分析喷射器的(火用)效率能取得令人满意的效果。 (3)采用大型计算流体动力学软件FLUENT对超音速蒸汽喷射器内流体的混合过程进行数值模拟。分析了模型维数、网格系统、湍流模型、离散格式等因素对数值计算结果的影响,以期获得依网格收敛的解,在此基础上分别对大膨胀比、大压缩比蒸汽喷射真空泵及大膨胀比、中等压缩比的蒸汽喷射式热泵内的超音速流动过程进行了数值模拟。 (4)计算并分析了各种特征几何参数对喷射器操作性能的影响。数值结果表 南京工业大学硕士学位论文 摘要 明:第二喉管起着扩展激波系的功能,其与喷嘴喉管的面积比极大地影响着波 系结构,从而影响着喷射器的操作性能。在一定的设计工况下,总存在一个最 佳的面积比对应于最大的喷射系数,其主要的物理特征为通过工作蒸汽喷嘴产 生的激波系刚好能够通过第二喉管;喷射器的工作能力随喷嘴与混合室入口相 对位置的改变而改变。在一定的设计工况下,总存在一个最佳的喷嘴出口与混 合宣入口截面的距离对应于喷射系数的最大值,并且将喷嘴向混合段移近一点, 喷射器的性能变化并不大,但当喷嘴远离混合段时,喷射器性能急剧恶化;混 合段锥顶角对喷射器(真空泵)性能的影响较小,在3”~7”之间喷射系数并无 明显变化。按等压混合理论设计的喷射器较等面积混合理论具较好的工作性能。 *)计算并分析了工作蒸汽的压力和温度3射及混合流体压力等热力参数 对喷射器操作性能的影响,并根据喷射器内的物理现象及喷射系数的变化规律 将蒸汽喷射器的操作状态分为临界状态、亚临界状态和回流状态三类,同时指 出临界点为最佳工作点。 O)以中国石化金陵公司烷基苯厂塔顶抽空器为例进行数值模拟优化设计。


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