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CO_2两相引射器超音速膨胀及流动特性与结构优化研究

王维波  
【摘要】:为了实现双碳目标,必须加快优化能源体系结构,这为热力系统节能应用带来极大挑战。CO_2引射器以其结构简单、操作方便以及两相工况适应性好和具有优良的传热特性的优势,被广泛应用于热力系统。本课题通过研究CO_2两相引射器混合过程的多物理机制,探讨不同流动机制间的相互耦合关系,进而建立描述内部流动的引射器全域模型。首先,为了抑制膨胀波的影响,提升引射系数,优化引射器吸收室结构设计。基于特征线法利用有限差分法提出了一种CO_2两相引射器混合初始主动流超音速膨胀模型。分析了主动流喷嘴出口膨胀角β与截面比A_t/A_m、实验引射系数μ和膨胀比P_d/P_s之间的关系,并利用最小二乘法拟合了关联式。通过与实验数据相比较,验证了模型的正确性。喷嘴出口面积的减小导致主动流膨胀角增大,主动流膨胀角会随着引射器膨胀比和实验引射系数增大而增大。其次,为了促进主动流和引射流的混合,减小两股流体在混合过程中的摩擦损失。采用两流体模型分析了主动流和引射流在混合扩压室的沿程参数变化关系,研究不同流动机制间的相互耦合关系,获得了引射器的混合特性和性能变化规律。发现在混合扩压室内,随着两股流体逐渐向扩压室出口方向流动,主动流沿程流动温度越来越高、速度越来越慢,引射流沿程流动温度越来越低、速度越来越快。两股流体的温度和速度越来越趋于一致。主动流质量和气相质量分数逐渐增大,引射流质量逐渐减小。最后,为将更多的动能转化为压力能,提升引射器的性能,对引射器混合扩压室结构进行了优化。基于两流体模型构建的CO_2两相引射器混合扩压室研究基础上构建了引射器混合扩压室结构优化模型,得到了最佳混合室长度和扩压室扩散角的范围。通过开展上述工作,有助于深入两相引射器内部混合流动规律的认知,指导引射器结构设计和性能优化,拓展CO_2两相引射器的实际应用和强化引射制冷系统热力性能。


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