水蒸氣噴射泵混合室內邊界層脫離現象的計算流體力學(xué)研究

　　為了深入了解水蒸氣噴射泵內流場(chǎng)結構,采用物理模型,在保持其他條件不變情況下,采用計算流體力學(xué)模擬得到不同背壓下噴射泵內部壓力分布圖和混合室內跡線(xiàn)圖,模擬結果與實(shí)驗數據有較好的一致性。通過(guò)分析跡線(xiàn)圖中的邊界層脫離現象和壓力分布圖中壓力的關(guān)系,得出高壓力梯度作用導致了引射流體邊界層分離,而邊界層分離后導致有效區減小,造成引射系數急劇下降。

　　自從1910 年Maurice Leblanc 制成第一個(gè)水蒸氣噴射制冷系統以來(lái),水蒸氣噴射制冷系統已經(jīng)提出了很長(cháng)一段時(shí)間,由于其制冷效率比較低,一直未受到足夠重視,發(fā)展一度受阻。隨著(zhù)自然資源匱乏、環(huán)境污染嚴重等問(wèn)題的日益凸顯,水蒸氣噴射制冷系統再度受到研究人員的青睞。因為它僅使用價(jià)格低廉的工業(yè)廢熱或完全免費的太陽(yáng)能等低品質(zhì)的熱源作為動(dòng)力,且工作介質(zhì)為水———最環(huán)保的制冷劑,對環(huán)境完全無(wú)害。

　　作為整個(gè)制冷系統的核心,噴射泵具有結構簡(jiǎn)單,無(wú)任何回轉部件,運行過(guò)程無(wú)任何磨損,使用壽命長(cháng),維護費用低等優(yōu)點(diǎn),但其內部流動(dòng)十分復雜,包括亞音速、超音速流動(dòng),因此,對噴射泵內部流動(dòng)結構的了解是很有必要的。

　　傳統實(shí)驗方法在流場(chǎng)可視化和數據采集方面受到很大限制,而采用計算流體力學(xué)(CFD) 手段則能很好的解決這些問(wèn)題 ,因此被越來(lái)越多的人所采用,并且在噴射泵研究領(lǐng)域得到應用。噴射泵結構和對應軸線(xiàn)壓力、速度分布如圖1 。工作蒸汽通過(guò)拉瓦爾噴管后獲得超音速氣流,噴出噴管后在其周?chē)�產(chǎn)生一低壓區,壓力值低于蒸發(fā)器內壓力,在壓差驅動(dòng)下,蒸發(fā)器內水蒸氣被抽入吸入室,在粘性力作用下,兩股流體在混合室內混合,經(jīng)喉部、擴壓器排出。

圖1 　噴射泵及內部壓力、速度分布曲線(xiàn)

　　不同背壓下噴射泵引射系數曲線(xiàn)見(jiàn)圖2 ,將噴射泵工況大致為三部分———臨界狀態(tài)、次臨界狀態(tài)、回流狀態(tài)。當背壓低于臨界值時(shí),在其他條件不變情況下,引射系數不受背壓影響,保持恒定值;而當背壓大于臨界值后,抽氣率隨背壓升高急劇下降,很快出現返流。

圖2 　噴射泵抽氣特性曲線(xiàn)

3、結論

　　(1) 采用CFD 手段對水蒸汽噴射泵流場(chǎng)模擬很好地捕獲了混合式內部的流動(dòng)結構,能夠為分析和理解噴射泵性能提供幫助。

　　(2) 當背壓大于臨界背壓值時(shí),由于高的壓力梯度導致混合室內出現邊界層脫離,形成的漩渦減小了吸入引射流體的有效區,使泵性能急劇下降。

　　(3) 隨著(zhù)背壓的進(jìn)一步增大,漩渦區域進(jìn)一步擴展,形成返流。

　　上述研究結果表明,噴射泵工況必須保持在臨界狀態(tài)下,才能保證其正常穩定工作。