《喷射器喷嘴设计》-高孝良

-1- 喷射器喷嘴设计 高孝良 大连理工大学机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，辽宁大连（116024） E-mail：winsion1122@sina.com 摘 要：喷射器是一种不直接消耗机械能，利用流体来传递能量及质量的流体输送机构。它 具有结构简单、工作可靠、加工容易、维护方便等优点，喷射器与某些设备联接后，系统比 较简单，且具有节能的特点，目前国内外各行各业应用很广。喷射器的应用史可追溯到十九 世纪末，我国是五十年代初才开始的，由于它独特的优点，特别是在节能方面，使它在耗能 工程中应用具有显著的优越性。喷射器的研究中，喷嘴的研究至关重要占有极其重要的地位， 对喷射器的喷射系数影响很大，故本文将针对已知的喷射器流体参数设计喷射器的喷嘴，并 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 喷射器喷嘴部分参数的影响。设计出符合本液体工质的喷射器喷嘴。文中将采用计算流 体动力学(Computer Fluid Dynamics,简称 CFD )分析方法，用流体商业软件 Fluent进行分析， 分别针对不同的马赫数进行分析。设计出符合本工况和液体工质下的喷射器喷嘴参数。 关键词：喷射器；喷嘴；喷射系数；马赫数；面积比 中图分类号： TP211 1 引 言 在螺杆冷水机组中，润滑油不仅对螺杆压缩机起到润滑、冷却、密封、降噪等作用，还 是驱动滑阀的动力，对于螺杆冷水机组具有重要作用。但在采用满液式蒸发器的冷水机组中， 由于回油不理想，系统中没有分离干净的冷冻机油会积聚在蒸发器中，不仅造成换热效果降 低，而且会造成压缩机失油过多而不能正常工作或造成损坏[1]。采用满液式蒸发器的螺杆冷 水机组，互溶的合成冷冻机油与高效油分离器，并采用满液式蒸发器直接回油技术。这种机 组使用一段时间后，满液式蒸发器中的含油量会达到一个动态平衡状态，并且满液式蒸发器 中的含油量较高，从而影响蒸发器的工作性能。根据国内外发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的试验结果，当满液式蒸发 器中合成冷冻机油含量达到 1%时，制冷量会降低 18%，达到 5%时会降低 28%，这样就必 然要加大蒸发器的面积[2]。润滑油沸点远高于制冷剂，随制冷剂进入蒸发器后不会同制冷剂 一起蒸发，若不采取适当措施，润滑油势必在蒸发器中越积越多而导致压缩机缺油，这对机 组的安全高效运行极为不利。喷射器的设计就显得尤为重要，而喷嘴作为喷射器中的最重要 部件对喷射器的性能影响是极其重要的。但是现今的关于喷射器的研究仅限于以水蒸汽为工 质的研究，下文将利用 Fluent 软件对以润滑油 R22 为工质的喷射器进行分析计算。 2 喷射器原理 根据其用途及工作介质的性质是液体还是气体，喷射器可被称为喷射器、引射器、喷射 泵等不同名称，但其喷射器的工作原理和结构形式是基本相同的。喷射器是利用射流紊动扩 散作用来传递能量和质量的一种流体机械混合设备[3]。通常由喷嘴（Nozzle）、接受室（Suction chamber）、混合室(Mixing chamber)、扩压室(Diffuser chamber)四部分组成。 混合流体分为气（蒸汽）相，液相，或者是气体（蒸汽）、液体和固体的混合物。进入 装置以前，压力较高的那种介质叫做工作介质。工作介质流叫做工作流体。工作流体以很高 的速度从喷嘴出来，进入喷射器的接受室，并把在喷射器前的压力较低的介质带走。被带走 的流体叫做引射流体。 1.高温、高压的工作流体通过喷嘴绝热膨胀（收缩喷管或拉伐尔喷管，其选择取决于工 作流体压力和引射流体压力的大小，如果引射流体的压力小于该喷嘴结构下的工作流体的临 http://www.paper.edu.cn 中国科技论文在线 -2- 界压力，则用拉伐尔喷管），将位能转化为动能， mP 降至 1P ，温度由 mT 降至 1T ，而速度 由 mW 升至 1W ，（可达超音速）； 2. 由于喷嘴出口的压力 1P ，稍低于引射流体的压力 sP ，这样，便造成了两个流体的压 力差，引射流体便被压入喷射器中，将吸入室中的流体吸入； 3. 工作流体与引射流体在混合室内剧烈混合，实现动量、能量交换，工作流体的速度 大于引射流体，引射流体在工作流体的带动下，速度加大，在混合段混合流体的压力逐渐上 升至 2P ，速度逐渐下降至 2W ； 4. 混合流体在扩压室中压缩，为了克服出口的背压，动能变小，动能转化为位能，压 力升至 3P ，速度降至 3W ，混合流体克服出口的背压，完成喷射器的工作[4]。 从喷射器的工作过程可以看到，喷射器的工作原理简单，但内部流场是相当复杂的。尤 其是工作流体、引射流体混合过程，对此，人们进行了各种假设，如采用一维模型的理想混 合、通过实验结果预估局部损失系数等，避开对具体流场的分析，以便能形成喷射器的设计 理论。但由于对流场认识的不足，尽管进行了大量的实验和模拟，但是对内部流场的研究很 少，本文将用 Fluent 软件进行设计分析。 3 数值模拟计算 考虑到在混合段入口见面出引射流体速度与工作流体的超音速相比很小，故可以将引射 流体的侧向入口简化成为环向入口，从而便可以将三维模型简化成为二维的轴对称模型进行 计算分析，目前这一简化方法在国内外应用中很广泛，二维模型和三维模型并无明显的差异。 喷射器的整体是一个对称的结构，故计算一半就可以描述喷射器的性能等参数。对于整个喷 射器的网格划分采用分块划分，网格通过 Fluent 的前处理软件 Gambit 进行划分，网格的划 分情况如下图 1，图 2 图 1 完整的网格 Fig.1 Complete Grid 图 2 喷嘴的网格 Fig.2 Nozzle Grid http://www.paper.edu.cn 中国科技论文在线 -3- 根据喷射器内部流动特点，采用如下几点假设： 1. 流动过程为稳定的轴对称流动； 2. 忽略流体浮力的影响； 3. 动作流体在喷嘴中的流动过程为等熵流动，且所有流动均与外界绝热； 4. 喷嘴出口截面出的工作流体和引射流体互不混合但紧密流动。 3.1 求解模型的建立 求解器的选择，本模型选择分离求解方法。分离求解方法即分别求解各个控制方程的方 法。由于控制方程是非线性的，因此求解必须经过多次迭代才能获得收敛解。其过程可概述 如下： （1）流场变量更新。在第一次计算时，变量由初始化过程更新。在随后的计算中，每 迭代一次既得到一个更新的解。 （2）用当前压强和质量通量的值求解动量方程，以得到新的速度场。 （3）因为（2）中得到的速度场的数值解无法完全满足连续方程，于是再求解压强修正 方程。压强修正方程是由连续方程导出的泊松型方程，求解这个方程可以得到对压强场、速 度场和质量通量的修正，进而使连续方程得到满足。 （4）利用前面求出的解，求解湍流方程、能量方程、组元方程和能量方程。 （5）在多相流计算中如果考虑相间干扰，则需要通过求解弥散相轨迹计算得到连续相 方程中的源项解。 （6）检验收敛条件是否被满足。如果收敛条件被满足，则停止计算。如果计算没有收 敛，则继续迭代过程。 湍流模型选择为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 湍流模型，涡粘模型不直接处理Reynold应力项，而是引入湍 动粘度，然后把湍流应力表示成湍动粘度的函数。湍动粘度的提出来源于Boussinesq提出的 涡粘假设，该假设建立了Reynold应力相对于平均速度梯度的关系，即: k x u x u uu ij i j j i tji ρδµρ 3 2'' −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂+∂ ∂= (1) ( )2'2'2''1'1 2 1 2 uvuuuk ++== (2) 选择能量方程，激活传热机制，在计算方程中，增加能量方程。 3.2 流体物理属性的设置 创建新流体，本模型一共是三种流体，分别取名为 high,low,oil。high 为一次流体， low 和 oil 同为二次流，其中一次流作为工作流体，分为两种情况即；气态与液态两种形式，下 表 1 为流体物理性质。high 气态流体为润滑油 R22 在 26 摄氏度下的气态物理属性；high 液 态流体为滑油 R22 在 26 摄氏度下的液态物理属性；low 流体为润滑油 R22 在 0 摄氏度下的 液态物理属性；oil 流体为工作残余下的液态流体。在分析计算中，二次流的流体按照现实 情况把 low 与 oil 流体按照 7 比 3 即 70%和 30%的百分比例配比，在下面的边界条件中会涉 及到。 http://www.paper.edu.cn 中国科技论文在线 -4- 表 1 流体物理性质 Tab.1 Fluid physical properties 名称 high 气 high 液 low oil 密度 定压比热 45.45 880 1250 1260 1250 1170 913.7 2091 热传导率 粘度 分子量 0.0114 0.0128 86.4 0.0830 0.0166 86.4 0.0947 0.0220 86.4 0.37 0.0269 30 3.3 边界条件的设定 一次流入口 i-1 和二次流入口 i-2 均为压力入口，出口 out 为压力出口。湍流强度 I 的 定义为 avgu wvuI 2'2'2' ++= (3) 上式中 2'u ， 2'v ， 2'w 是速度脉动量， avgu 是平均速度。湍流粘度比 µµ /t 与湍流雷诺数 tRe 成正比。湍流雷诺数的定义为： εθ 2 Re kt = (4) tRe 在高雷诺数边界层、剪切层和充分发展的管道流动中的数值较大，其量级大约在 100-1000 之间，而在大多数外部流动的自由流边界上， µµ /t 的值很小。在典型情况下， µµ /t 的值在 1 到 10 之间。 ε−k 模型中用湍流粘度比定义流动时，在 Turbulence Specification Method（湍流定义方法）中使用 Intensity and Viscosity Ratio（湍流强度与粘度 比）方法。 3.4 求解 进行求解计算前，首先要初始化流场，因为本模型的入口设置为压力入口，初始流场压 力选择为入口压力的平均值，其他设置为缺省值。在默认状态下，所有的物理量的变化都会 被监侧，以便于判断求解是否收敛。当所有的物理量的收敛标准都满足时，计算就收敛了。 在计算时绘制残差曲线图的设置，将各参数的收敛标准为 510− ，而能量残差要小于 610− 。 有些模型的残差始终没有达到收敛标准，如果一次流与二次流的质量流量持续不变化也可视 为计算已经收敛。设置结束后，可以进行计算了，下图便是模型计算至 12000 步时的残差曲 线。 图 3 残差曲线 Fig.3 Scaled Residuals http://www.paper.edu.cn 中国科技论文在线 -5- 4 喷嘴设计 喷嘴是喷射器中最为关键的部件，喷嘴出口马赫数是由喷嘴出口面积与喷嘴喉口面积之 比确定的，因此，喷嘴出口截面积与喷嘴喉口截面积之比是喷嘴设计的关键，喷射器中采用 的为超音速喷嘴，因而喷嘴为缩放管，设计时首先按收缩段为亚音速、喉口达到音速、喉部 以下直至出口全为等嫡连续的超音速流动(完全膨胀状态)的流动条件[5]，来使用下面的等熵 关系式: ( ) ( )12 1 212 1 2 111 1 2 − + − + ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+∗⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += k k e e k k t e Mk MkA A (5) K——绝热指数，本文对润滑剂 R22 取 1.19； eM ——喷嘴出口马赫数； eA ——喷嘴出口截面积， 2m ； tA ——喷嘴喉口截面积， 2m ； 首先确定六个喷嘴的马赫数 2、2.7、3.0、3.5、4.0、4.35 分别进行计算，通过确定的马 赫数来计算出六个面积比，对应的六个面积比分别为 1.206727、1.8965556、4.5562478、 6.9540435、18.764538、30.487724886、51.20244198，针对这六个面积比分别计算设计喷嘴 的半径比。 表 2 喷嘴半径比 Tab.2 Nozzle radius ratio 编号 0# 1# 2# 3# 4# 5# 马赫数 面积比 2 1.2067 2.7 1.8966 3.0 4.5562 3.5 6.9540 4.0 18.765 4.35 30.48 半径比 1.3772 2.1345 2.6371 4.3318 5.5216 7.1556 建立模型计算，通过计算得知，0#、1#、2#喷嘴均产生了回流现象，3#、4#、5#喷射器 工作正常，下面将对 3#喷射器的喷嘴设计参数进行详细说明。本文计算的是喷射器的前半 部分也就是喷嘴这部分，混合室以及扩压室的结构，我采用的是根据索科洛夫的《喷射器》 书中的喷射器的参数。参数如下，喷嘴到混合室的距离 3l 为107mm；等面积段直径为17.8mm； 等面积段长度为 72mm；扩压室的的直径为 25.28mm；扩压室的长度为 107mm。确定喷射 器混合室后端的参数后，调整前面的喷嘴参数，计算分析出性能优良的喷射器，喷射器的性 能，本文主要通过喷射器的喷射系数ω来描述喷射器的性能 12 mm=ω (6) 式中 为喷射系数， 1m 为一次流体的质量流量， 2m 为二次流体的质量流量。 喷射器喷嘴的参数，计算出面积比后，就能确定半径比，确定 ed 为 12.4， td 为 2.86， md 为 22.4， 1l 在 2 td 与 6 td 之间变化， tl 先确定为 2，后面会调整 tl ，研究 tl 的变化对喷射系 数的影响， 2l 在 2 td 与 18 td 之间调整，具体调整数值见表 3 http://www.paper.edu.cn 中国科技论文在线 -6- 表 3 喷嘴的参数 Tab.3 Nozzle parameters 喷嘴编号 0l md td ed 1l tl 2l 3#d1 7.0 22.4 2.86 12.4 5.72 2 5.72 3#d2 3#d3 3#d4 3#d5 3#d6 3#d7 3#d8 3#d9 3#d10 3#d11 3#d12 3#d13 3#d14 3#d15 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 2.86 2.86 2.86 2.86 2.86 2.86 2.86 2.86 2.86 2.86 2.86 2.86 2.86 2.86 12.4 12.4 12.4 12.4 12.4 12.4 12.4 12.4 12.4 12.4 12.4 12.4 12.4 12.4 5.72 5.72 5.72 5.72 11.44 11.44 11.44 11.44 11.44 17.16 17.16 17.16 17.16 17.16 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 11.44 17.16 34.32 51.48 5.72 11.44 17.16 34.32 51.48 5.72 11.44 17.16 34.32 51.48 4#喷射器的喷嘴参数为 ed 为12.4， td 为2.24， md 为22.4； 1l 在2 td 与6 td 之间调整， 1l 分 别为4.48、8.96、13.44； 2l 在2 td 与18 td 之间调整， 2l 分别为4.48、8.96、13.44、26.88、 40.32。5#喷射器的喷嘴参数为 ed 为12.4， td 为1.73， md 为22.4； 1l 在2 td 与6 td 之间调整， 1l 分别为3.46、6.92、10.38； 2l 在2 td 与18 td 之间调整， 2l 分别为3.46、6.92、10.38、20.76、 31.14。 表 4 喷射器喷射系数 Tab.4 jet coefficient 喷嘴编 号 气态 液态 喷嘴编 号 气态 液态 喷嘴编 号 气态 液态 3#d1 0.8464 0.4407 4#d1 2.0695 0.4539 5#d1 2.1777 0.3955 3#d2 3#d3 3#d4 3#d5 3#d6 3#d7 3#d8 3#d9 3#d10 3#d11 3#d12 3#d13 3#d14 3#d15 1.5519 1.8799 1.9561 回流 1.6847 1.1725 0.6694 0.8948 0.9905 0.9395 回流 回流 回流 回流 0.3228 0.4406 0.2281 回流 0.4170 0.3926 0.1281 0.2776 0.2041 0.2303 回流 回流 回流 回流 4#d2 4#d3 4#d4 4#d5 4#d6 4#d7 4#d8 4#d9 4#d10 4#d11 4#d12 4#d13 4#d14 4#d15 2.6583 1.4366 1.6817 2.5578 1.7127 1.5356 1.1127 0.1415 1.4401 1.8161 1.0907 1.4003 1.1213 1.1159 0.4352 0.2730 0.2587 0.3796 0.4098 0.4202 0.4496 0.4124 0.3846 0.4406 0.3695 0.3184 0.2580 0.2533 5#d2 5#d3 5#d4 5#d5 5#d6 5#d7 5#d8 5#d9 5#d10 5#d11 5#d12 5#d13 5#d14 5#d15 2.6361 1.9528 1.7921 1.6789 2.5322 2.0880 1.8675 1.8431 1.6972 0.2772 1.6846 1.7080 1.7289 1.6571 0.4337 0.3334 0.3229 0.2626 0.4392 0.4001 0.4229 0.4230 0.4404 0.4545 0.4355 0.4329 0.4056 0.4145 http://www.paper.edu.cn 中国科技论文在线 -7- 从表中可以得知，4#d1 的喷射系数比较高，分析得出 4#d1 的喷嘴的结构比其他结构的 喷射系数高。下文将对喷嘴的其他参数 0l ， tl ， md 分别分析，找出这几个参数对喷射器喷 射系数的影响。调整 4#d1 喷射器中 0l 分别在 5、10、15、20、25、30 时气态液态的喷射系 数；调整 4#d6 喷射器中 tl 分别在 0、1、2、3、4、5、8 时液态的喷射系数，调整 4#d15 喷 射器中 tl 分别在 0、1、2、3、4、5、8 时液态的喷射系数；调整 3#d1 喷射器中 md 分别在 10 倍、9 倍、8 倍、7 倍、6 倍、5 倍、4 倍、3 倍、2 倍 td 时的气态液态的喷射系数。下面 以图表的形式清晰得表现这几个参数对喷射系数的影响。 图 4 喷射系数 Fig.4 jet coefficient 图表中可见，无论是气态还是液态，在 5-30mm 的范围内的变化均不是很大，最大和最 小相差不大于 5%，本模型忽略了壁面的摩擦力，但是现实模型中是不可能的，所以 0l 的长 度不宜过大，在模型中取 7.5 为适宜。 图 5 喷射系数 Fig.5 jet coefficient 图表中可见，气态喷射器中，当喷射器的喷嘴等面积段 tl 为0时，明显喷射系数比较大； 但是在液态喷射器中，当喷射器的喷嘴等面积段 tl 为0时，喷射系数为最小，在其他等面积 段的情况变化很小。因此，在设计喷射器时，若是一次流为气态则喷嘴等面积段为0时喷射 器喷射系数比较适宜；若一次流为液体则有等面积段比较适宜。 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 5 8 Å çÉ äÏ µÊ ý Lt调整(单位：mm) Lt调整喷射系数 4#d6气态 4#d8液态 0 1 2 3 5 10 15 20 25 30 喷 射 系 数 L0调整(单位：mm) L0调整的喷射系数 气… 液… http://www.paper.edu.cn 中国科技论文在线 -8- 图 5 喷射系数 Fig.5 jet coefficient 图表中可见，气态喷射器在 3—5 倍喷嘴半径之间喷射系数较大，而液态喷射器在 8—10 倍喷嘴半径之间喷射系数较大。喷射器入口的面积是不能忽视的，调整好入口面积能提高喷 射器的入口速度，加大喷射器的喷射系数。 5 结论 (1)喷射器的喷嘴面积比不能过小，过小致使二次流压力差不够将二次流压入混合室； 喷射器的喷嘴面积比也不能过大，过大致使一次流与二次流进入混合室的能量太小，影响喷 射系数。故根据模型的计算结果，本模型选择 4#d1 的喷嘴。 (2)喷射器的 ， ， 三个参数的变化根据一次流的属性不同而不同，分开讨论 致谢 感谢孙伟教授在我研究生阶段对我学习及科研的指导，感谢董荣梅博士给予我写论文时 的帮助。 0 2 4 2 3 4 5 6 7 8 9 10 喷 射 系 数 dm调整(单位：倍数) dm调整的喷射系数 气… 液… http://www.paper.edu.cn 中国科技论文在线 -9- 参考文献 [1] 刘宪英,陈建萍.对螺杆式冷水机组有关问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的讨论[J].暖通空调,2002,2(32):56-59. 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Our country begin to use the machine in the early 1950s.With the distinguished advantage of saving energy, the ejector shows its superiority in the project of energy consumption. However, a nozzle occupies an important place in the research of the ejector. The nozzle greatly affects the jet coefficient of an ejector. This article aims to introduce the design of the ejector’s nozzle according to given fluid parameter of the ejector. The writer would analyze the effect of the ejector’s nozzle parameter and then design a kind of ejector’s nozzle which conforms to the fluid working medium. The analytic method Computer Fluid Dynamics (CFD) would be used in this article. Moreover, the fluid business software, which analyzes different Mach numbers, would also be applied in this program. According to the result of the analysis, the writer would design an ejector’s nozzle parameter which conforms to the working condition and the fluid working medium. Keywords: ejector; nozzle; jet coefficient; Mach number; area ratio 作者简介： 高孝良，1984 年 11 月 22 日生，2003 年 9 月—2007 年 7 月就读于大连理工大 学工程力学系（本科），2007 年至今就读于大连理工大学机械工程学院（研究生）。 http://www.paper.edu.cn 中国科技论文在线