三噴嘴蒸汽噴射泵的三維數(shù)值模擬研究及分析

2015-03-23 王俏河北工業(yè)大學(xué)

　　蒸汽噴射泵的操作工況在偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，噴射性能會嚴(yán)重惡化。本文借助連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值模擬工具-STARCCM+ ，對三噴嘴蒸汽噴射泵內(nèi)部流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。分析了操作參數(shù)( 背壓、工作蒸汽壓力和引射蒸汽壓力) 對其噴射系數(shù)的影響，并與相同工況下單噴嘴蒸汽噴射泵進(jìn)行對比。此外，對三噴嘴蒸汽噴射泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)( 噴嘴軸線的匯交點(diǎn)位置) 進(jìn)行了考察。結(jié)果表明，在工作蒸汽變工況操作條件下，三噴嘴蒸汽噴射泵能夠保持穩(wěn)定、可靠運(yùn)行；在相同工況下，三噴嘴蒸汽噴射泵的臨界背壓值小于單噴嘴。在多噴嘴蒸汽噴射泵的設(shè)計(jì)中，各噴嘴軸線的匯交點(diǎn)位置存在一最佳值。

　　蒸汽噴射泵是一種以蒸汽作為工質(zhì)，通過射流紊亂擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)高壓蒸汽抽吸低壓蒸汽的裝置。該裝置能將兩種不同壓力等級的蒸汽進(jìn)行混合，通過能量交換、傳遞，形成一種居中壓力的蒸汽，還可以實(shí)現(xiàn)抽吸真空、制冷以及輸運(yùn)流體等目的。由于其結(jié)構(gòu)簡單、沒有運(yùn)動部件、不直接消耗機(jī)械能等優(yōu)點(diǎn)，在動力、化工、制冷、冶金、輕工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其中熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)和蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)是其熱門的應(yīng)用領(lǐng)域。蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)如圖1 所示，是將蒸發(fā)器產(chǎn)生的低壓二次蒸汽通過蒸汽噴射泵升壓后重新加以利用。而蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)是可能代替現(xiàn)有制冷系統(tǒng)的非常有前景的技術(shù)，該系統(tǒng)能夠利用環(huán)保類的制冷劑、可再生能源和低品位的廢熱熱源，因此得到越來越多的關(guān)注和研究。蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)如圖2 所示，高壓工作蒸汽通過噴射泵對低壓蒸汽進(jìn)行抽氣、壓縮作用，使制冷劑(水) 通過蒸發(fā)器吸收冷水熱量后變?yōu)榈蛪核魵夂笥直粐娚浔贸樽�，冷水因失去熱量而溫度下降，因此產(chǎn)生制冷效果。

圖1 熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖

三噴嘴蒸汽噴射泵的三維數(shù)值模擬研究及分析

圖2 蒸汽噴射式制冷循環(huán)示意圖

　　噴射泵作為熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)和噴射式制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，其性能的好壞對系統(tǒng)效率有著決定性作用。盡管蒸汽噴射泵在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，但由于其內(nèi)部超音速流場的復(fù)雜性，如激波、分離渦、粘性干擾等現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得迄今為止，對其理論研究還不夠深入。計(jì)算流體力學(xué)(CFD) 數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)，為研究和分析噴射泵內(nèi)部流場提供了有效工具。

　　近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對噴射泵進(jìn)行了大量的研究，Kanjanapon Chunnanond 等通過實(shí)驗(yàn)分析了噴射泵內(nèi)部壓力的分布，Natthawut Ruangtrakoon 等通過實(shí)驗(yàn)研究了噴嘴尺寸對噴射泵工作性能的影響，Dong 等，岳向吉等通過數(shù)值模擬的手段研究了噴射泵內(nèi)的流場狀態(tài)，王曉冬和王維娜則利用CFD 建模計(jì)算手段對RH 真空脫氣過程流場進(jìn)行了研究、預(yù)測，這些結(jié)論都可以為研究蒸汽噴射泵流場提供參照依據(jù)。但以上多數(shù)研究針對的是單噴嘴結(jié)構(gòu)的蒸汽噴射泵，由于多噴嘴蒸汽噴射泵內(nèi)部流場比單噴嘴的更復(fù)雜，因此至今對多噴嘴結(jié)構(gòu)蒸汽噴射泵很少涉獵。而傳統(tǒng)的單噴嘴蒸汽噴射泵的操作工況在偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，噴射性能會嚴(yán)重惡化。因此，本文立足于多噴嘴結(jié)構(gòu)形式的蒸汽噴射泵，以典型的三噴嘴結(jié)構(gòu)為研究對象，分別從操作工況和幾何結(jié)構(gòu)兩方面，對多噴嘴蒸汽噴射泵性能影響因素進(jìn)行研究，為設(shè)計(jì)高性能且穩(wěn)定可靠的多噴嘴蒸汽噴射泵提供理論基礎(chǔ)。為擺脫二維模型太過簡化的缺點(diǎn)，避免流場的失真，本文將采用新一代CFD求解器-STAR-CCM +5.06.007 軟件對三噴嘴蒸汽噴射泵進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究。

1、數(shù)值模擬方法

　　1.1、幾何模型

　　以某廠一臺三噴嘴蒸汽噴射泵為例進(jìn)行計(jì)算，其幾何結(jié)構(gòu)的二維示意圖如圖3 所示，主要由噴嘴、接受室、混合室及擴(kuò)壓室4 部分組成，主要尺寸見表1。利用三維繪圖軟件solidworks 對其進(jìn)行幾何繪制，并保存為stl 格式文件。

三噴嘴蒸汽噴射泵的三維數(shù)值模擬研究及分析

圖3 多噴嘴蒸汽噴射泵結(jié)構(gòu)示意圖

表1 三噴嘴蒸汽噴射泵主要尺寸

三噴嘴蒸汽噴射泵的三維數(shù)值模擬研究及分析

　　1.2、網(wǎng)格劃分

　　將上述Stl 格式文件導(dǎo)入STAR-CCM + 中，根據(jù)蒸汽噴射泵模型的特點(diǎn)，采用計(jì)算精度較高的Trimmed 網(wǎng)格，如圖4 所示，另外為了保證模型局部的計(jì)算精度以及網(wǎng)格數(shù)量過多影響計(jì)算速度，對噴嘴和混合室部分進(jìn)行適當(dāng)加密。以Wall Y + 數(shù)值為檢驗(yàn)邊界層尺寸是否設(shè)置合適為標(biāo)準(zhǔn)，得到符合此模型的最佳邊界層尺寸。由于蒸汽噴射泵的結(jié)構(gòu)屬于對稱結(jié)構(gòu)，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間與計(jì)算機(jī)資源，本文將模型的一半作為研究對象進(jìn)行模擬計(jì)算，得到的CFD 模型的計(jì)算域和網(wǎng)格如圖4 所示。

三噴嘴蒸汽噴射泵的三維數(shù)值模擬研究及分析

圖4 三噴嘴蒸汽噴射泵CFD 模型的計(jì)算域和網(wǎng)格

　　1.3、邊界條件

　　蒸汽噴射泵的工作蒸汽進(jìn)口、引射蒸汽進(jìn)口，模擬時(shí)均采用壓力入口邊界，給定滯止壓力、溫度及適當(dāng)?shù)耐牧鳁l件；混合流體出口，采用壓力出口邊界，給定靜壓及適當(dāng)?shù)幕亓鳁l件；固體壁面采用無滑移、無滲流、絕熱邊界。流體介質(zhì)的密度按理想氣體計(jì)算，物理參數(shù)為等效溫度下的常量，設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 三噴嘴蒸汽噴射泵的設(shè)計(jì)參數(shù)

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　　1.4、計(jì)算模型

　　采用有限體積法，在控制方程Reynolds-Averaged Navier-Stokes 的基礎(chǔ)上，選擇Standard K-ε 湍流模型對其流場進(jìn)行求解，近壁面處采用壁面函數(shù)模型High y + Wall Treatment 對其進(jìn)行修正。選用隱式耦合求解器Coupled Solver 求解方程，在計(jì)算迭代過程中通過調(diào)節(jié)庫朗數(shù)Courant number 來保證計(jì)算的收斂。工質(zhì)設(shè)置為水蒸汽，由于內(nèi)部的流動為跨音速流動，最大速度為超音速，為可壓縮氣體，密度采用理想氣體法處理。模擬計(jì)算是否收斂則根據(jù)殘差圖、監(jiān)測進(jìn)出口流量、噴射系數(shù)曲線、質(zhì)量守恒綜合判定。

　　1.5、衡量蒸汽噴射泵性能的參數(shù)

　　噴射系數(shù)( entrainment ratio) u 是引射流體的質(zhì)量流量GH與工作流體的質(zhì)量流量GP之比(u = GH /GP) ，表示一定工況下，單位工作蒸汽所能抽吸引射蒸汽能力的大小，是衡量蒸汽噴射泵工作性能的重要指標(biāo)之一。在本模擬結(jié)果中，將其作為重要的參考標(biāo)準(zhǔn)。

　　1.6、收斂判據(jù)

　　(1) 各變量(速度、壓力、湍流動能等) 的殘差達(dá)到10^-4以下；

　　(2) 質(zhì)量流量穩(wěn)定，即噴射系數(shù)u 數(shù)值穩(wěn)定。

　　1.7、模型驗(yàn)證

　　利用上述方法，對文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)的蒸汽噴射泵設(shè)置參數(shù)(pP = 0.45 ～0.6 MPa，p H = 0.0435 MPa，蒸發(fā)溫度為10℃) 進(jìn)行模擬。如圖5 所示模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差均在7% 以內(nèi)，因此本文選用的模擬方法能夠較好地研究三噴嘴蒸汽噴射泵的噴射性能。

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