蒸汽喷射器流场模拟及性能优化分析.pdf

2015年第43卷第5期
流体机械
33
文章编号:1005-0329(2015)05-0033-06
蒸汽喷射器流场模拟及性能优化分析
徐鑫,丁学俊2,许弘雷,万志芳2
(1.中南电力设计院,湖北武汉430002.华中科技大学,湖北武汉430074)
摘要:对应用于太阳能喷射式制冷系统喷射器的内部流场进行了数值模拟,对其性能进行了优化分析;选用制冷工
质为R134a,通过数值模拟,研究了喷射器结构尺寸及工作参数对其性能的影响及其最佳的工作范围。
关键词:蒸汽喷射器;喷射系数;数值模拟;性能优化
中图分类号:TH138.7
文献标志码:A
doi:10.3969/j.is8n.1005-0329.2015.05.008
Simulation and Performance Optimization Analysis of Steam Ejector Flow Field
XU Xin DING Xun-jun", XU Hong-lei, WAN Zhi-fang
(1. Central Southern China Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China
2. Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)
Abstract The numerical simulation for the internal flow field of the used for solar jet refrigeration system and the optimization
analysis for the performance were carried out. Using the R134a as the refrigerating working medium, the effect of the structure size
and working parameters of the injector for its performance was analyzed. In addition, the best working range is given
Key words: steam injector; injection coefficient; numerical simulation; performance optimization
1前言
阳能,在能源问题与环境问题日益严重的今天,具
有工程应用价值和很大的发展前景的。本文以
喷射器是一种利用高压流体抽吸低压流体而用于某建筑物的太阳能喷射制冷系统为研究对
提升其压力的流体混合机械,其结构简单紧凑、运象,选取新型环保制冷剂R134a为制冷工质,应
行稳定可靠、维修方便,但是由于喷射器性能系数用 Fluent软件分析喷射器的内部流场并对其性能
较低,在实际应用中受到一定限制。早期的喷射进行优化分析。
器研究者们提出了应用比较广泛的一维模型,但
是不能给出喷射器内部流动的具体情况,无法全
接受室工作喷嘴混合室扩压室
工作
混合
面考虑喷射器内部结构对流体流动和混合过程的
影响;随后,有学者提出各种二维模型,以期进
体台++-
流体
行更加准确和详细的理论分析,设计出性能更高
引射
的喷射器;特别是近年来,随着计算流体力学
流体
技术的不断发展和应用,对喷射器内复杂流动过
程的研究更加深入,更加详细,结论更加符合实际。
图1喷射器结构示意
喷射器结构如图1所示,虽然其结构简单但2建立模型
内部流动过程十分复杂,用试验方法很难进行观
察测量,而数值模拟可以较好地解决这一问题。
在太阳能喷射制冷系统中我们通常知道工作
太阳能喷射式制冷系统是用喷射器代替传统制冷流体和引射流体的状态参数,也知道混合流体需
系统中的压缩器,结构更加简单,能够有效利用太要达到的状态,这样就可以在索科洛夫气体动力
收稿日期:2013-10-12修稿日期:2014-09-09
FLUID MACHINERY
Vol.43,No.5,2015
学函数法的基础上计算出满足条件的喷射器
尺寸'4。
本文设计工况是发生温度为90℃,蒸发温度
为5℃,冷凝温度为35℃,太阳能制冷系统应用于
栋建筑面积为300m2的别墅,取冷负荷指标为
图2喷射器几何模型网格
100wW/m21?,可以得出制冷负荷为300kw。
本文选用了基于压力的隐式求解器,湍流模型
根据制冷原理和R134a饱和蒸汽压力与温采用标准k-e模型,在近壁区采用了标准壁面函
度的关系?,本文的初始参数如下
数法。压力项选用了 QUICK格式,其他项如能量、
工作流体:7n=90℃、Pn=3.18MPa;
湍动能、湍流耗散项均采用了二阶迎风格式?。
引射流体:7=5℃、P2=0.349MPa、V=40m/
s、m=550kg/h;
3模拟结果
混合流体:T。=35℃、P。=0.887MPa、V。=
50m/s
计算得出的工作流体、引射流体和混合流体
由初始参数计算所得的蒸汽喷射器主要结构的质量流量结果为:m,=0.505kg/6,m=0.192
尺寸如表1所示
kg/s,m。=0.697kg/s。喷射系数为引射流体与工
作流体质量流量之比,表明了喷射器的工作能力,
表1蒸汽喷射器主要结构尺寸
是评价喷射器性能最主要的参数,因此,可以计算
蒸汽喷射器结构
尺寸(mm)
工作喷嘴人口截面直径
得到喷射系数z=0.38。
10.4
工作喷嘴喉部直径
6.8
3.1喷射器内流体速度分布
工作喷嘴出口截面直径
从图3中可以看出,工作流体在进入工作喷
引射喷嘴人口截面直径
嘴后速度不断增加,在喉部处达到音速,随后在渐
混合室入口截面直径
扩段进一步增加为超音速。由于在喷射器内出现
混合室喉部直径
14.8
扩压室出口截面直径
了超音速流动,在遇到流道突变时,会产生激波现
工作喷嘴渐缩段长度
13.5
象,在工作喷嘴出口和扩压室入口都可能产生激
工作喷嘴喉部长度
波。图4为沿喷射器轴线方向的马赫数散点。
工作喷嘴渐扩段长度
混合室渐缩段长度
等截面混合段长度
扩压室长度
eee
2222222
相对于喷嘴出口的超音速射流,忽略引射流
1.25e+02
体很小的初始速度,将引射气体的側向人口简化
0.0e+00
为轴向环形入口。这样喷射器内流动就是对称
的,可以采用二维轴对称模型,只需计算一半的区
图3喷射器内流体速度云图
域。以喷射器对称轴为横轴,工作喷嘴入口截面
为竖轴,工作喷嘴入口中点为原点建立坐标系。
3.00
模型控制方程为质量守恒方程、动量守恒方程、能
量守恒方程以及状态方程。工作流体入口和引射
1.50
流体的入口都采用压力进口边界条件,出口也采
用压力出口,还需要设定进口的总压和出口的静
压。喷射器外边界和工作喷嘴的外边界都设定为