采用新型喷嘴结构的蒸汽喷射器性能

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维普资讯http://www.cqvip.com第35卷第1期石油化工设备Vo1．35No．12OO6年1月PETR()ICHEMICAlEQUIPMENTJan．2006文章编号：1000—7466(2006)O1—0015—04采用新型喷嘴结构的蒸汽喷射器性能祝金丹，张少维，桑芝富(南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京210009)摘要：运用CFD数值模拟方法对比研究了不同操作条件下整流喷嘴和普通喷嘴蒸汽喷射器的性能特点。结果表明，在不同混合流体压力和引射流体压力的作用下，应用整流喷嘴能够提高喷射器的喷射系数，进而提高喷射器整体操作性能，特剐是在低引射流体压力条件下，整流喷嘴较普通喷嘴仍能保持高的喷射系数，体现了这一新型喷嘴结构的优越性。关键词：喷射器；喷嘴；喷射系数}数值模拟中图分类号：TB126；TB115；TQ051．71文献标识码：APerformanceofsteamejectorwithanenhancednozzleZHUJin—dan。ZHANGShao—wei．SANGZhi—fu(CollegeofMechanicalandPowerEngineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009，China)Abstract：ACFDmethodwasappliedtoinvestigatetheperformanceofsteamejectorwithanan—hancednozzle．Thecomparedworkhasbeenconductedbetweenabasicnozzleandanenhanced_．-+-—■■--‘．I-．-+-．-通过观察以上各关系图，发现气泡雾化喷嘴的混合室内的压力就可达到很高的数值，造成气体无流量系数随气、液比的增大而减小，在高气、液比(大法进入混合室，不能产生气泡流。于0．05)的情况下流量系数低于0．2。这是由于高(4)气泡雾化喷嘴的流量系数比其它类型的喷速气流的作用使液体的流速大幅度增加，气体在出嘴低，喷口不容易堵塞，适用于燃烧劣质液体燃料。口处占据了大量的面积。流量系数随气、液比的变(5)文中对此喷嘴如何形成较好的气泡流做了化对喷孔不敏感，实验中3个喷孔的流量特性曲线定性分析，定量研究气、液两相如何较好地混合才能基本相同．只是较大喷孔(如A)的低气、液比在试产生气泡流是今后研究工作的重点。验过程中不容易控制。出口截面处存在气流，气流占据较大面积的特点使该类型喷嘴在使用过程中不参考文献：易被堵塞出口。因此它比较适用于燃烧重渣油等含[1]吴绮敏．重油——下世纪重要能源[N]．人民日报，1998—11—06，[2]WangxF，ChinJS，LefebvreAH_InfluencesofGas—lnjec—有杂质、易结焦的劣质液体燃料[。torgeometryonatomizationofaeratedliquidnozzles[J]．In—5结语ternationalJounalofTurboandJetEngines，1989，6(3)：271—(1)喷嘴混合室长度和直径是影响气泡流形成279．的关键因素，其长度和直径存在优化组合尺寸。[33ChenSK，LefebvrekAH．Influencesofambientairpressure(2)气泡发生器是产生气泡流的核心部件，其小oneffervescentatomization[J]．JournalofPropulsionandPower，1993，9(4)：10-14．孔直径、数目及位置对气泡流的产生影响最大。液体[43SubramanianV，SankarA．SwirleffervescentatomizerfOrspray注入孔面积及数目对气泡流的产生也有很大影响。combustion[J]．ProceedingsoftheASMEHeatTransferDivi(3)喷嘴出口截面积减小，气泡流会有改善，雾sion。1995，37(2)：18-22．化质量较好。但出口面积过小，在液体流量很小时，(许编)收稿日期；2005—07—25作者简介：祝金丹(1980一)，女。江苏扬中人，在读硕士研究生，主要研究方向为过程装备优化设计及CFD技术在过程装备中的应用。 维普资讯http://www.cqvip.com石油化_T设备2006年第35卷nozzletorevealthevariationofentrainmentrationbychangingthepressureofsuctionsteamandmixedsteam．Theresultsindicatethatenhancednozzlecanincreaseentrainmentratioofsteamejectorcomparedwithabasicnozzle．Especially，underthelowerpressureofsuctionsteam，thee—jectorwithanenhancednozzlecanstillmaintainhighentrainmentratio．Keywords：ejector；spraynozzle；entrainmentratio；numericalsimulation符号说明P一一引射流体在吸人室人口处的压力。MPaq——引射流体质量流量，kg／sP——工作流体在喷嘴人口处的压力，MPaq卅——工作流体质量流量，kg／sP——混合流体在扩散管出口处的压力，MPa——喷身t系数，一qh／gp——普通喷嘴临界混合压力，MPaMa——马赫数————整体喷嘴临界混合压力，MPa喷嘴人口到喷射器出口的变量值，ITI声——引射流体临界压力，MPaL——喷射器全长，m蒸汽喷射器是一种利用射流的紊动扩散作用使的花瓣型喷嘴来提高喷射器的效率，结果表明，对于不同压力的2股流体相互混合，并引发能量交换的面积比较大的喷射器而言，采用花瓣型喷嘴能获取流体机械。其工作原理是高压流体(也称工作流体)高于采用普通锥型喷嘴的喷射系数和压缩比【2j。通过喷嘴将其压力能转变为动力能，在喷嘴的出VIMastsuo和Nahdi等人则研究了混合室截面积与喷形成低压区卷吸低压流体(也称引射流体)进人混合嘴截面积之比对喷射泵操作性能的影响，其研究结室后形成单一均匀的混合流体，此混合流体经扩散果表明，对应于一定的面积比，存在着一最大喷射系管的降速增压之后被排出泵外。由于喷射器结构简数和最大压力比的匹配[。由张少维等人自主单，维修费用少，对被抽介质无严格要求，加之抽气开发的新型整流喷嘴结构见图2¨5]。与普通喷嘴相量大，工作压力范围宽，因此在国内外石油化工、冶比，整流喷嘴在普通喷嘴出VI部位增加了一段整流金和制冷等领域得到了广泛应用。蒸汽喷射器一般由喷嘴、吸人室及扩散管3部分构成，其中扩散管由混合段、喉管及扩散段3部分组成，典型结构见图1。影响蒸汽喷射器工作性能的因素主要由喷射器结构参数和操作工况来决定。前者主要包括喷嘴结构、喷嘴与扩散管面积比、喷嘴图2整流喷嘴结构示图出VI至混合室人VI的距离及扩散段长度等参数。后者包括工作流体压力P、引射流体压力P及混合管，整流管深人到扩散管的混合段，通过稳定混合段流体压力P。的流体流动、改善激波系的分布并减少流体混合能量损失，从而达到提高喷射器工作效率的目的。其研究结果表明，在改变工作流体压力的条件下，整流喷嘴能有效提高喷射器的工作效率，其平均喷射系数比普通喷嘴提高3O左右。但作者并未对混合流体压力、引射流体压力等对整流喷嘴喷射器工作●性能的影响作进一步的研究。l引射流体文中采用计算流体动力学(ComputerFluid1．喷嘴2．吸入室3．混合段4．喉管5．扩散段Dynamics，简称CFD)分析方法，对比研究了不同图1蒸汽喷射器结构简图混合流体压力和引射流体压力下，分别采用整流喷嘴与普通喷嘴对蒸汽喷射器工作性能的影响。Nahdi等人所进行的～系列实验研究表明，喷1数值计算模型射系数U和混合流体压力与引射流体压力的比值1．1控制方程组(简称压缩比)随喷嘴与扩散管面积比的变化而变稳态可压缩流体流动满足N-S方程：化，在所有这些条件中存在一个最优面积比和最大的喷射系数的匹配1]。Chang等人采用了一种新型．『vWdV+~[-F—G~dA=．『vHdV 维普资讯http://www.cqvip.com第1期祝金丹，等：采用新型喷嘴结构的蒸汽喷射器性能式中，w为求解变量，F为无粘变量，G为粘性变含义为在一定操作条件下，单位工作流体通过喷射量，H为能量源项，w、F、G的向量表示形式如下：器时能抽吸的引射流体(被抽气体)量，在数值上等OlDD于引射流体的质量流量与工作流体质量流量之比，ID“JD“+户f上．即“一口h／q。W==ID，F=JD+．G：fⅥ2．1混合流体压力的影响Dpvw+pkf在其它热力参数保持不变的情况下，混合流体压DEpE+p+q力从0．354MPa逐渐提高到0．61698MPa时，2种』不同喷嘴结构对应的喷射系数的变化规律见图3。式中，|D为流体密度，kg／m。；“、、钟分别为z、y、由图3可见，整流喷嘴对应的喷射系数比普通喷嘴的方向的速度，m／s；E为单位流体的总能量，J／kg；喷射系数提高了近3O。在给定的结构参数下，整i、j、是为沿z、Y、坐标轴的单位矢量；P为压力，Pa；f为粘性应力张量；q为热通量，J／(m。·s)。流喷嘴的I临界混合流体压力户石相对普通喷嘴的临界1．2计算方法及计算网格混合流体压力户右移，这表明，在较高的混合流体压由于在混合段入口截面处引射流体速度与工作力下，整流喷嘴的喷射器仍能保持优良的工作性能。流体速度相比很小，故可将引射流体的侧向人口简而对于不同的混合流体压力，两种结构下喷射器喷射系数的变化趋势大致相同。在一个相当宽的范围内，化为环向人口，因而可按二维轴对称模型计算。计随着P的变化，喷射系数几乎维持一定值，但在越过算采用四边形网格划分，并对结构分块。为了捕捉某一临界压力时，喷射系数随混合流体压力的增大而激波和边界层，在喷嘴出口和流体混合层上加密。急剧下降。并且随P的进一步增大，喷射器出口出现为了保证计算结果不受网格数量的影响，不断改变回流。这表明，喷射器只能在一定的背压范围内工作，网格数量，直到获得网格无关性计算结果。采用具有二阶精度的有限体积法(FVM)来离散控制方程；考一旦超出这个范围，就可能导致设备工作条件恶化。虑到边界层的影响，采用了标准e湍流模型来模拟湍流体的流动。对于整个喷射器的内部流场的数值模拟，在近壁面处采用壁面函数修正法来得以实现。1．3流体物性及边界条件工作流体和引射流体入口均采用压力入口边界，给定滞止压力、滞止温度和湍流条件；混合流体采用压力出口边界条件，给定静压及适当的回流条件。工作流体为过热水蒸气，密度以理想气体法则／iPa处理，粘度由温度的指数函数形式确定，其他参数取图3不同喷嘴结构下混合压力对喷射系数的影响操作条件下的常量。固体壁面采用不可渗透、无滑移绝热边界。两种不同喷嘴结构的喷射器在同一条件下的马2计算结果及分析赫数分布见图4。对于普通喷嘴，工作流体在喷嘴蒸汽喷射器工作性能以喷射系数“来衡量，其出口处呈扩散状态(图4a)。由于在喷嘴出口处，工(a)普通喷嘴(b)整流喷嘴图4不同喷嘴结构的马赫数分布图 维普资讯http://www.cqvip.com·18·石油化工设备2006年第35卷作流体速度比较高，引射流体的速度比较低，2种气结构的喷射系数变化趋势大致相同，即喷射系数随体的碰撞非常剧烈，宏观表现为具有较厚的边界层，引射流体压力的增加而增大。但在相同条件下，整这就使得引射流体的有效流通截面积减少，甚至会流喷嘴喷射器所得的喷射系数远高于普通喷嘴喷射出现流道堵塞的现象。对于整流喷嘴(图4b)，由器的喷射系数对于普通喷嘴喷射器，存在一临界于整流管深入到混合段，稳定了混合段流体的流动，引射流体压力户，当引射压力Pn<户时，喷射系数波系在整流管出口得到充分发展，向喉管推进，减随P的减小而急剧下降，到一定程度喷射系数甚至少了能量损失，工作流体波系在整流管内几乎没有出现负值，喷射器不能正常工作；当Ph>P~时，喷射衰减。系数随P的增大而呈线性增长，但速度明显变缓。2种不同喷嘴结构的喷射器在同一条件下沿轴整流喷嘴喷射器的喷射系数整体随Pn的增长而线线的马赫数分布见图5r从图5可以看出，普通喷嘴性增长，与普通喷嘴的喷射器不同的是，在引射流体出口至喉管入口处马赫数衰减比较快，而整流喷嘴压力变化范围内(0．344~0．5488MPa)未见临界压的马赫数变化则较为平缓，呈准周期性变化并衰减普通喷嘴喷射器在喉管的作用下，膨胀波和压缩波力的出现，整体变化比较平稳。对比2条曲线可相互作用造成大量的能量损失，使得喉管和扩散段见，当P很小(Ph