FLUENT在超音速蒸汽喷射真空泵中的应用.doc

FLUENT在超音速蒸汽喷射真空泵中的应用
徐海涛1, 桑芝富1, 卓 震2
(1. 南京工业大学机械与动力工程学院,江苏 南京,210009;
2. 江苏石油化工学院机械系,江苏 常州,213016)
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摘要:采用大型计算流体动力学软件FLUENT 对蒸汽喷射真空泵的超音速混合过程进行数值模拟。计算并分析了第二喉管与工作蒸汽喷嘴喉管面积比、喷嘴出口截面与混合段入口截面间的距离及混合段的锥度等几何参数对真空泵操作性能的影响。数值结果表明,几何参数的改变极大地影响着波系结构,在一定的设计工况下,总存在一个最佳的面积比及一个最优的相对位置对应于最大的喷射系数,其在物理上的表现形式为通过工作蒸汽喷嘴所产生的激波系刚好能够通过第二喉管。混合段的锥度在一定范围内对真空泵的性能无显著影响,等压混合理论较等面积混合理论具更优的操作性能。
关键词:蒸汽喷射真空泵;超音速;喷射器;激波;几何参数;操作性能
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CFD simulation of the supersonic steam-jet vacuum pump
Xu Hai-tao1, Sang Zhi-fu1, Zhuo Zhen2
(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of technology, Nanjing 210009;
2. Jiangsu Institute of Petrochemical Technology, Changzhou 213016)
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Abstract: The supersonic steam-jet ejector as a function of vacuum pump was simulated using FLUENT. The performance of steam-jet vacuum pump was investigated by changing the secondary to the primary throat area ratio, the relative position of the steam nozzle and the taper of the mixing section. These numerical results clearly indicate that when geometric parameters vary,the structure of shock also changes. There are optimum throat area ratio and ideal steam nozzle position for a given operating condition, which corresponds to the state that shock waves generating at the steam nozzle moves downstream and just passes the second throat. The taper of the mixing section has little effect on the performance of the ejector over a range and the constant-pressure mixing theory is better than constant-area one.
Keywords: steam-jet vacuum pump; supersonic; ejector; shock wave; geometric parameters; performance
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蒸汽喷射真空泵具有结构简单可靠、运转费用低廉、操作维修方便以及对被抽介质无严格要求等优点,因此被广泛应用于各个工业领域,尤其是在某些特殊生产工艺上,如真空蒸馏、真空脱气、真空结晶等。提高这种设备效率的途径在于使喷射器无论是压缩比(PC/PH)还是喷射系数(GH/GP)都达到最优。这就有必要重新审视传统的超音速蒸汽喷射器的设计方法。
作为一种真空获得设备,喷射器诞生于19 世纪40 年代,最初的设计方法都是以实验结果为依据的[1]。图1 为典型的喷射器结构简图。工作蒸汽在拉伐尔喷嘴中加速形成超音速射流,而引射流体则由于与工作蒸汽间的剪切作用被卷吸至混合室,而后逐渐形成单一均匀的混合流体,经过一扩散段减速压缩到一定的背压。在混合过程中激波系不断和边界层相互作用形成了极为复杂的流动结构,再加上粘性干扰、分离涡、真实气体效应等物理现象使得喷射器的性能很难用一般的气体动力学理论解释。
现有的超音速喷射器的设计理论大都沿用一维空气动力学的分析方法,其主要困难在于对混合过程的动量守恒方程提出一种合理的解析解:
Keenan,Neumann[2-3],Elrod[4]和Fabri[5]等人先后提出了两种比较可行的计算方法,即定常面积混合理论和定压混合理论。前者认为工作流体和引射流体的混合过程是在截面积不变的情况下完成的(A=constant),而后者则认为两股流体的混合近似为一种等压过程(dP=0)。无论是一维定常面积混合理论还是一维定压混合理论,其出发点都是一样的,即在等压混合或定常面积混合理论的基础上,假设工作流体和引射流体具有相同的分子量和比热容,工作流体和引射流体以及混合后的流体在任意截面上具有均匀的物性分布,喷嘴和扩散段内都是等熵过程,不计壁面摩擦,也不考虑热量损失,在理想气体的基础上,运用质量、动量及能量守恒方程计算工作过程,推导出了最大喷射系数或最大压缩压力的喷射泵结构参数的计算公式。尽管后来有不少学者[6-11]对其进行修正使其更接近于现实,然而现有的一维设计理论尚不能预测混合段所需的最短距离,也不能给出工作蒸汽喷嘴和混合室的最佳相对位置,以及能达到最佳工作性能的喉管面积比等几何参数。除了这些因素,还有诸如工作蒸汽喷嘴出口马赫数、雷诺数、压缩比、膨胀比、比热比等操作参数均不同程度地影响着喷射泵的性能,探讨这些参数对蒸汽喷射泵性能的影响,对完善现有的一维设计理论具有重要的意义。
作为一种研究流体流动的新方法,计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)在各个工业领域得到越来越广泛的应用,目前,CFD 方法已开始成为工程装置优化及放大的定量设计工具。它不仅能给出设备内大致的流场结构,而且能提供一些实验不能或者很难测定的信息。
本文采用大型计算流体动力学软件FLUENT,用二阶精度的有限体积法(FVM)离散控制方程,标准k—ε二方程湍流模型,近壁面处使用壁面函数修正的方法对整个喷射泵的内部流场进行数值模拟。探讨蒸汽喷射真空泵主要结构参数对其性能的影响,分析在不同喉管面积比及各种喷嘴与混合室入口截面距离下喷射泵内的激波运动规律,揭示在一定操作条件下最佳喷嘴位置及最优喉管面积比的主要物理特征,为蒸汽喷射真空泵的优化设计建立理论基础。
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1 蒸汽喷射泵的数值模拟算法
1.1 数值算法[12]
采用二阶精度的有限体积法(FVM)对控制方程进行空间离散,时间离散则采用多重Runge-Kutta 显式格式迭代,并采用多重网格方法(Multigrid Method)加速迭代收敛,自适应网格方法(Grid Adaptive)捕捉激波,以期获得与网格无关的解。
1.2 计算域及网格
鉴于在混合段入口截面处引射流体的速度与工作蒸汽速度相比甚小,故可将引射流体的侧向入口简化成轴向环形入口,因而可简化成二维轴对称模型计算,数值结果表明,这种简化的二维模型和三维模型并无明显差异(如图2 所示),其得出的喷射系数相对误差在1%之内。图3 为本文所采用的二维计算模型网格(为便于显示,只取实际计算网格密度的20%)及边界层网格的局部放大图。网格采用分块结构化网格,为捕捉激波和边界层,在喷嘴出口及工作流体与引射流体混合面上适当加密。
1.3 流体物性及边界条件
工作蒸汽及引射流体入口均采用压力入口边界,