（制冷及低温工程专业论文）多相流多功能引射器的实验研究与数值模拟.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 引射器是新型太阳能海水淡化装置中一个非常关键的部件。目前，对引射器 的研究主要集中于单相引射器，而对两相引射器的研究相对较少。本文主要研究 液一液气引射器。它以液体为工作流体，同时抽吸气、液两相介质，并进行传热、 传质。其主要应用于太阳能海水淡化装置，用来抽吸系统中的不凝气体，以保持 系统适当的真空度；同时抽吸排放浓海水，避免海水结晶。由于该引射器同时进 行气液两相介质的热质交换，而且还兼具多种功能，因此也被称为多相流多功能 引射器。 首先，本文介绍了引射器的基本原理，对其基本结构进行了设计计算。阐述 了紊动射流的基本理论；介绍了引射器的结构和工作原理，分析了流体在引射器 内流动时压力和速度的变化规律：给出了引射器的性能参数和特性方程，根据现 有的研究成果对其进行了全尺寸设计，给出了各个部分的详细尺寸。 其次，对引射器进行了实验研究。设计并搭建了液一液气引射器实验台：在 引射器同时抽吸气液两相流体的情况下，进行了详细的实验研究，分析了工作喷 嘴和混合段长度等结构参数，及工作流体压力和引射流体压力等操作参数对引射 器体积引射系数的影响。 最后，对引射器进行了数值模拟。介绍了基于有限体积法的网格划分及常用 的离散格式；给出了引射器数值模拟时的边界条件：基于双流体模型和七一f 湍 流模型，建立了引射器内部流场的控制方程；在同时抽吸气液两相流体的情况下， 就结构参数和操作参数对引射器性能的影响进行了数值模拟，并与实验结果进行 了比较。 通过对实验结果和数值模拟结果的对比分析，可以看出二者比较吻合。同时， 从上述结果中：得到了多相流多功能引射器的最佳工作喷嘴尺寸和最佳混合段长 度；得出了体积引射系数随引射器工作流体压力及引射流体压力的变化规律；给 出了速度、压强等物理量在引射器内部流场中的变化规律。从数值模拟结果中还 可以看出混合室中存在回流区，本文分析了不同背压对混合室中回流的影响及回 流对引射器工作性能的影响，并得出了适宜的背压变化范围。 关键词：太阳能海水淡化；引射器；双流体模型；七一s 湍流模型；引射系数 西北工业大学硕士学位论文a b s 仃a c i a b s t r a c t e j e c t o rw 勰av e r yi m p o r t a mp a r ti nt l l en e 、v _ s t y l es o l 甜d e s a l i n a n o ns y s t e m a tp r c s e n t l l e s t l l d i e so ne j e c t o rw e r em o s t l yf b c 懈e do ns i n g l e p h a s e 锄dr a 陀l yf b c 邺e do nt w o _ p h a s e i nm s t i l e s i s ，al i q u i d l i q u i d & g 笛e j e c t o rw 越m a j n l ys t u d i e d f o rt h ；s 匀e c l 0 l i q u t dw d r k i f i gn o ww 鸹 惜e d ，粕db o mg 勰卸dl i q u i dw e 托p u m p e ds y n c h m n o t i s l yt d 仃郴f e r h e a t 锄de n e 唱y 1 1 1 i se j e c t o r w 觞m a i n l yu s e di ns 0 1 盯d e s a l i n 撕o ns y s 把【i lt op 啪pt h en o n - c d e n s i n gg 勰锄dl 【e 印柚 印p r o p r i a t ev a c u u m a tt l l es a m et i m e ，i tc o u l da l s ob e 惦e dt 0p u m p 柏dd r a i nt l i eb m ew a t e rt o a v o i db f i n yc r y s t a l i i z a t i o n f o rt 1 1 e 他硒o mt h a t “t f 锄s f e r r e dh e a ta n dm 鹪sf o rb o t hg 孵锄di i q u i d a n d “h a dm u i t if h n c t i 啷。i tw a sa l s oc a l l e dm u l t i - p h 嬲em u l t i 如n c t i o ne j e c t o l f i 墙t l y ，t l l eb i cf h d 锄e n t a io fc j e c t o rw 私i n t m d u c e d 柚d 协s l l l j c t u 撑w 越d e s i g n e da n d 咖p m c d t h et l l e o r yo ft i l r b u l 朗f i o ww 硒e x p 越i a c c do n ，t h es 仃1 l c l u dt i e o r yo fe j e c t o r w e 糟p 辩n 刚，a f l d 曲ec h a n g el a wo fp 陀s s u r ea f dv e l o c i t yw h e nl i q u i d 玎o w e di n 句c c t o r 咄 锄a l y z e d t h e n 。s o m ep e r f o 肿a n c ep a r 锄c t e r s 柚ds o m ec h a r a c t e r i s t i ce q 删o i l s1 1 a db ng i v 蚰 b a do nt i l ee x i s t i n gp r o d u c t i o n ，如l ld i m e 舾i o n so f t h ee j e 咖rw e r ed e s i g n e d ，蛐dl 量i em m e 鹏i o n o f e a c hp a r tw a sg i v e ni nd e 诅i l s e c o n d l y s o l h 亭“e x p e r i m e i l t a l 他a r c h 嚣7 啪d o n 矗a ne x p e r i l 孙o m 甜p l a l f o 弧o fn i e 。 l 碴u i d l i q u i d g a se j e c o rw 罄b u i l t 锄ds o m ed 鲥l e de x p c r i m e n t sw i t hp u m p i n gb o t hg 舔a 芏l d l i q u i ds y n c h r o n o u s l yw e m a d e t h ei n n u e n c e so fg 虮i c t u m lp a r a m e t e r ss u c h 雏s i z eo fn o z z l e 锄dl 锄g mo fm i x i n gc h 锄b e r 觚do p e r a t i o n a lp a r a m e t e r ss u c h 硒p 旭豁u 化o fb o t hw o r k i n gf l o w a n de j e c t o rf l o wo nt h e 巧e c t i n g 囱c t o r w e 他a n a l ，q 蜘 a ti a s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h i se j e c t o rw 船p e 0 m l e d b o t ht h eg r i dg e n e f a t i o nb 勰c d f i n 舱v o l u m em e t h o da n dc o m m o n u dd j s c r e t i z a t i o nw e 陀i n 仃0 d u c e d t h eb o u i l d a 叮c o n d n i o n s i nn u m e r i cs i m u l a t i o nw e r c1 i s t e d c o n 打i ) le q u a t i o l l s 曲o u tt l l ec i e c t o ri n t e r i o rn u b 私e d t w o n u i dm o d e l 锄d 七一占n l r b u j e n m o d e lh a db e e ns e t o nt l l ec o n d i t i o no fp 啪p i l l gb o t l l g 雏蛐di i q u i d ，n u m 嘶c a ls i m u l a t i o 啮f o rt h ei n n u e n o f 蚰m c t i l 糟lp 啪l 鹏t e 心锄do p e r a t i o n a l p a r 锄e t e r so ne j e c t o rp e r f 研m 龃c ew c 佗p e r f o 啪e d ，觚dt h 翎m es i m u l a t i o nr c 鲫l tw 鹤m p a r e d w i t l le x p e r i m e n tr 髓u n 恤u g h l ec o m p a 矾d 锄a l y s i sb e “r 僦e x p e r i m e n tr e s u l t 卸ds i m u i a t i o nr e s u l i tw 勰 卸p a f e mt 量i a tt h e 咖旭s u l 协w e r et a l l i e dw i t i ie ho t h e rw e l la n d ，疗( 珊t h e r 船u l 忸：t h e o p t i m u ms i z ef 研n o z z l ea n dt h eo p t i m u ml e n 星啦f o rm i x i n gc h a f | l b e rw e r ee d u c e d ；b o i ht h el a w m a tt i l ec j e c t i n gf k t o rc h 锄g e da c c o r d i i 培t op r e s s u 佗o fw o r k i n gf l o w 锄de j e c t i n gn o w 彻dt l l e l a wo fv e l o c 埘a n dp r 髂s u r ei n t e n s i t yc h 卸g c di nf 幢i n t e i 盯n u i df i e l dw e 他c o n c l u d e d a tt 量i c s 锄et i m e f 如mt h es i m u l a t i o n 陀s u i li lc o u l db es 啪t l l 砒t h e 坤w 雒a 陀w h df l o wz o i m m i ) 【i n gc l l a m b e l 锄di i lm i st h 嚣i s ，b a t l l 恤i m p a mo fd i 仃e 咖th a c k p 瞄s u 陀o nr c v e 嗽dt l o wi i l m i x j n gc h 跚b e r 卸dt h ei m p a do f r e v e f s e d 疗a w 句e c 衙p c o 肺鲫c ew e r ca n a l y 罅d 1 1 1 曲，她 o p t i m 哪r a n g ef o rb k p r 酷s u r ew g i v e n k e y w o r d s ：s o l 甜d 船a l i n a t 岫1 1 c j e c t o lt w o - n u i dm o d e l _ j 一暑t u r b u l e n c em o d e j 。e j e c 虹n gf 缸l o f i i 西北工业大学硕士学位论文 主要符号表 主要符号表 流通截面积，m 2 气相所占截面积，m 2 液相所占截面积，m 2 阻力系数 升力系数 虚拟质量系数 界面的扩散传导性 气泡直径，m 混合室直径，m 扩压管的出口截面直径，m 界面单位面积对流质量通量 混合室的截面积，m 3 单位质量k 相上外界质量力，n 喷嘴出口截面积，i n 2 工作流体质量流量，k g ，s 引射流体质量流量，k g ，s 总水头，m 湍流强度 = l ，2 ，3 坐标方向 v 湍流动能 水力学直径，m 湍流尺度，m 混合室长度，m 扩压管的长度，m 相间阻力，n 相间升力，n 相间虚拟质量力，n 引射器背压，p a 混合物中空气分压，p a 引射流体压力，p a k 相压力，p a 工作流体压力，p a 饱和蒸汽分压力，p a 两相流体积流量，m 3 s 气相体积流量，m 3 s 液相体积流量，m 3 s 湍流雷诺数 k 相的源项 一d 工 _ r 七 l ， 0 k一以一帆一 办 办 所 仇 办 以 q 皱 9 碰 a 以 4 g q d 岛 以 如 f 五一五 厶 哪 h 。 “ 西北工业大学硕士学位论文主要符号表 液相或者气相，真空系数 湍流平均速度，i i l ，s 气相真实速度，舶 气相引射系数 液相真实速度，l i l s 液相引射系数 速度矢量，n 以 气相体积流量，m 3 s 液相的体积流量，m 3 s 工作流体的体积流量，m 3 s 引射流体的体积流量，m 3 s 工作流体的比容，m 3 ，廷 z 位置水头，m k 相的扩散系数 体积含气率 体积含液率 含气比 截面含气率 截面含液率 总引射系数 湍流耗散率 分子粘性系数 湍流粘性系数 流体密度，k i n 3 扩压管出口处流体密度，k g ，m 3 两相混合物的平均密度，k m 3 k 相密度，k m 3 湍流脉动动能p 咖d t l 数 湍流脉动动能耗散率p m d n 数 k 相的分子粘性应力张量，n 任一变量 工作流体经喷嘴的速度系数 混合室的速度系数 扩压管的速度系数 混合室入口段的速度系数 k 相的任一物理量 扩压管出口处流体流速，m s 喷嘴出口流体速度，n 以 f 肼 p 戊 成 风 吼 o 妒 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：j j j f 究生在校攻读学位期间论文【、作 的知识产权单位属于西北： 业人学。学校有权保留并向国家有关部r j 或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入柏关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存利汇编本学位论文。 同时本人保旺牛业后结台学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为两北一r 业 人学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：至盟 卅年4 月同 指导教师签名：边姚 一2 伊7 年牛月乙日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风利优良的利学道德，本人郑重声明：所璺交的学位论文，是亦 人在导师的指导下进行研究。 作所取得的成粜。塔我所知，除文中已经注明引用的内容 平致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他己申请学位或其他_ i = j 途使t l 过的成果。对本文的研究做出重要贡 f i j c 的个人平集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：主垒 潮年 月f 日 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 淡水是地球上宝贵而有限的自然资源之一。水对人体健康至关重要，一旦失 去体内水分1 0 ，生理功能即严重混乱；失去水分2 0 ，人体很快就会死亡。 而对社会经济而言水亦不可或缺，农作物无水会死亡，工业生产无水会面临瘫痪。 因此，水是一切文明之源，是人类社会生存和发展的根基。 1 1 1 水资源现状 在世界范围从1 9 9 0 年到1 9 9 5 年，水的消耗量增长了6 倍，比人口增长速度 还快2 倍，约有8 0 个国家和地区严重缺水，占地球陆地面积的6 0 ，有1 5 亿人 口缺少饮用水，2 0 亿人得不到安全的用水。其中2 9 个国家的4 5 亿多人口完全 生活在缺水状态中。由于饮用水不符合卫生要求而导致的疾病有5 0 多种，平均 每天发生与水相关的疾病6 5 万例，夺去2 5 万人的生命。到2 0 0 0 年，全世界人 ：均占水量减少了2 4 估计到2 0 2 5 年，全世界将有近l 3 的人口缺水。每年取 水量按4 - - 5 递增，到2 1 0 0 年地球上所有河水将被耗尽，到2 2 3 0 年，人类将耗 尽地质圈内所有储备的淡水资源。 中国人口占世界2 2 ，而淡水占有量仅为8 ，世界排序名列第1 0 9 位，是世 界1 2 个严重贫水国之一。据资料表明，由于水资源短缺、生态退化、水污染加 剧等原因，全国近6 0 0 多座城市中，有4 0 0 多座城市缺水，严重缺水的城市就有 1 1 0 多个。我国城市2 0 0 0 年缺水达6 0 0 多亿立方米，每年因缺水，仅工业产值 损失就达2 4 0 0 亿元。据预测，我国3 0 年后将出现用水高峰，2 0 3 0 年人口总量 将达1 6 亿，城市化水平将达到4 0 ，届时用水总量将达7 0 0 0 _ _ 8 0 0 0 亿立方米， 淡水资源短缺问题将更加严重【l 】。 总之，世界范围普遍缺水，不但资源性缺水，而且同时存在水质性缺水。如 此严峻的水形势已明显地影响和制约全球经济的发展。 1 1 2 太阳能海水淡化技术的优势 海水的储量约1 3 7 亿立方公里，占地球总水量的9 7 2 ，因此利用海水淡化 技术为人类提供淡水已成为一个热门课题。目前世界上许多国家，如美国、法国、 l 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 以色列、德国、日本及韩国等国家相继加入海水淡化技术发展的潮流【2 】。海水 淡化技术已经形成一个具有广阔发展前景的新型产业，对社会发展、人民生活水 平的提高、国防力量的增强起到了积极的推动作用。 人类早在二千多年前就开始思考海水淡化的问题。科学技术的进步才使人们 昔日的梦想终于变成了现实。伴随着全球水资源紧缺矛盾的日益突出，海水淡化 作为解决水资源紧缺的主要途径之一，日益受到各国，尤其是缺水国家和地区的 重视。上世纪4 0 年代开发了以蒸馏法为主的海水淡化技术，到7 0 年代前后初步 形成了工业化生产体系；1 9 5 2 年首先开发了电渗析盐水淡化技术：继而在6 0 年 代初又开发了反渗透淡化技术。1 9 9 7 年全世界1 0 0 吨天以上的脱盐装置总容量 为1 6 2 3 6 万吨天。2 0 0 0 年，全世界共有1 0 0 吨级以上海水淡化厂已发展至1 1 万家，以年增长率1 5 9 扛一2 5 攀升，淡化产水量达2 4 3 7 万吨天。淡水产量最高 的国家是沙特阿拉伯，占世界总产量的四分之一；美国产量位居第二位，占世界 总产量的1 5 2 【3 】。 对海水或者苦咸水进行淡化的方法很多，已经实现商业化应用的淡化技术主 要分为蒸馏法和薄膜法两大类。蒸馏法又可以细分为多级闪蒸( l t i s t a g e f 1 a s h 。m s f ) 、多效蒸馏法( m u l t i - e f f e c td i s t i l l a t i o n ，m e d ) 和蒸汽压缩法 ( v a p o rc o m p r e s s i o n ，v c ) ，薄膜法主要有电渗析法( e l e c t r od i a l y s i s ，即) 和反渗透法( r e v e r s eo s m o s i s ，r o ) 两种方法。但这些方法均需要消耗大量的 由石油，天然气和煤转化成的热能或电能。据估计，每天生产1 3 l o m 。的淡化 水，则每年需要消耗原油1 3 1 0 f 【4 】。而且，伴随燃料燃烧，会产生大量的 c 0 2 等污染物质，进而带来地球的温室效应及空气污染等一系列问题。因此，寻 求用丰富而清洁的太阳能来进行海水淡化，越来越受到世界各国的青睐。从我国 国情出发，情况也是如此。我国广大地区，如农村，孤岛等至今仍普遍缺乏电力， 因此在我国能源较紧张的条件下，利用太阳能从海水中制取淡水，乃是解决淡水 缺乏及供应不足的重要途径之一。 从经济上考虑，利用太阳能淡化海水越来越具有市场竞争力。在美国利用太 阳能制取淡水，价格仅为每千克l l 美分，为一般纯净水价格的1 4 左右。据测 算，在我国利用太阳能制取海水，价格也仅为每千克0 1 元左右，适合我国目前 的消费水平【5 1 。因此，利用太阳能进行海水淡化，有广泛的应用前景。 太阳能海水淡化技术的主要优点是： 1 不再使用煤，石油，天然气等有限的不可再生能源。 2 对环境无污染。 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 3 可根据需要灵活调节装置的产水量。 4 可采用回收潜热，低温蒸发等多种提高热效率的方法。 5 结构简单，工作可靠，能用于缺水缺电的边远地区。 1 1 3 太阳能海水淡化技术的发展 人类利用太阳能淡化海水，已经有很长的历史了。最早的有文献记载的太阳 能淡化海水的工作，是1 5 世纪一名阿拉伯炼丹术士实现的。这名炼丹术士使用 大马士革镜进行太阳能蒸馏。1 8 6 2 年，【删o i s i e r 使用安装在支架上的大型玻璃 透镜，将太阳光聚在一个长颈瓶中，进行太阳能蒸馏。1 8 6 9 年，m o u c h o t 描述了 用镀银的玻璃反射镜聚光，用于太阳能蒸馏的全过程。 世界上第一个大型的太阳能海水淡化装置，是1 8 7 4 年在智利北部的l 出 s a l i l l a s 建造的。它由许多宽1 1 4 m ，长6 1 m 的盘型蒸馏器组合而成，总面积 4 7 0 0 m 2 。1 9 8 2 年首先报道了p 硒t e l l r 用球面反射镜聚光进行太阳能蒸馏的实验。 他用一个球面反射镜将阳光聚焦于一个铜制的海水沸腾器中。所产生的蒸汽从沸 腾器中引入一个传统的水冷式凝结器，并在那里得到蒸馏水。 近年来，对太阳能蒸馏的研究已经有了长足的发展，各种新颖的太阳能蒸馏 系统层出不穷，其中许多已经在经济上已能与传统的海水淡化装置相媲美。预计 在不远的将来，太阳能蒸馏系统将为人类提供更多，更好，更经济的优质淡水。 1 - 2 低温蒸馏式太阳能海水淡化装置及其关键部件 目前，世界上的太阳能海水淡化技术主要利用太阳光产生热能进行海水蒸 馏，以取得淡水。利用太阳能产生热能进行海水淡化的装置，就其能量利用方式 而言，一般可分为直接法和间接法两大类。直接法系统直接利用太阳能在集热器 中进行蒸馏，而间接法系统的太阳能集热器与海水蒸馏部分是分离的。低温蒸馏 法是蒸馏法中最节能的方法之一，其利用一定的抽真空技术，使蒸发器内压力降 低，对应的饱和温度也必然降低，使得海水能够在较低温度下持续蒸发。其优点 是对海水的预处理要求不高，对加热源的温度要求低，生产的淡水质量高。另外， 进入冷凝器中的水蒸气包含大量的冷凝潜热，若能够加以回收，利用其来预热海 水，将会使能量利用率与产水率明显提高【6 】。 我所目前研究的太阳能海水淡化装置使用上述低温蒸馏法形成一种热效率 高的大型海水淡化方法。据估算，采用该方法的大型海水淡化装置的能量利用率 3 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 及产水比均比较高，每吨水价格约为2 3 元人民币，比现有其他方法的产水价格 大为降低，且消耗的一次能源量很小。 图卜l 为低温蒸馏式太阳能海水淡化装置的系统简图。 甲审甲 魔静矗量诗脱表 曩 l 模拟太阳光源2 升降支架3 多孔集热板4 蒸发器5 玻璃盖板 6 换热器7 冷凝器8 淡水池9 三通阀1 0 阀门1 1 引射器 图卜l 低温蒸馏式太阳能海水淡化装置系统简图 该系统以太阳能作加热热源，在真空装置中，将多孔太阳能集热板置于海水 上方吸收太阳辐射能，让海水在一定的系统真空度下低温蒸发，从海水蒸发出的 水蒸汽在集热板周围进行传热传质。海水在装置内外部的静压差驱动下流入装 置，不需要额外的能耗。流入装置的冷海水与冷凝的水蒸汽及流出装置的盐水换 热，进行能量回收。 此装置主要有以下几个部件组成： 1 多孔太阳能集热板：其是低温蒸馏式太阳能海水淡化装置中的主要传热传 质部件。从海水里蒸发出的水蒸汽在多孔集热板上与海水进行传热传质，此外， 水蒸汽中夹带的少量液态水滴向上流动，通过集热板板孔时，与集热板进行对流 换热，同时还在小孔内接受太阳的辐射，进而吸热汽化。 2 高效能量回收装置：其作用是利用流入装置的冷海水与水蒸汽和盐水换 4 堕些三些查堂堡主兰竺丝兰笙= 兰堕丝 热，回收水蒸汽的冷凝潜热与浓盐水的显热。 3 多相流多功能引射器：其作用是抽吸装置中的不凝气体，使系统内保持必 要的真空度，容器内的海水就会不断汽化产生蒸汽；同时抽吸排放浓海水，以避 免海水结晶。 4 流体静压差自流泵：其作用是使海水在外部与内部的静压差驱动下自动流 入装置，不用额外耗能。 1 3 气液两相流数值模拟的研究进展 气液两相流流动是一种比单相流体流动更加复杂的流动，其数值模拟计算也 比单相流动复杂的多。传统上求解两相流体动力学问题的基本方法主要有两类： 一是建立数学模型，经过一定的简化求得分析解；二是利用实验结果，用半经验 方法解决问题。随着计算机科学的迅猛发展，数值模拟越来越成为两相流研究的 重要工具。特别是近年来，随着人们对两相流动现象的本质的认识不断加深以及 计算流体力学的飞速发展，使我们有可能对复杂的两相流瞬态过程进行精确的数 值模拟。两相流中各相在空间和时间上随机扩散，同时存在动态的相互作用。对 于这种复杂的三维两相瞬态问题，完整地解析解目前还无法导出。但人们一直做 着不懈的探索，先后提出了多种数学模型，从最简单的均相模型一直到最复杂的 双流体模型。 早期，人们对于含气量较小且气泡均匀的气液两相流近似看成均匀的混合 物，忽略两相之间的速度差与温度差，这时的流动模型称作均相流模型【7 】，此 时可以采用单相流动时的控制方程组，将其中单相流体的参数全部换用混合物的 参数。用均相流模型求解气液两相流动工况必须符合气液两相均匀分布的条件， 否则求解结果会产生较大的误差。 上个世纪6 0 年代，朱伯( z u b e r ) 和范德来( f i n d l a y ) 【8 】考虑了相间相对 速度的影响及流动分布和相分布不均匀的影响，提出漂移流模型，它在混合物的 三个守恒方程中将相间相对速度用漂移模型来考虑，再附加一个气相连续方程， 用这四个方程来描写气液两相流动，其中漂移速度主要由经验关系式得到，这一 模型已被广泛应用于一维气液两相流动的数值模拟。 在气液两相泡状流的计算模型中，还有一种轨道模型，这种模型已被广泛应 用于气一液两相流中【9 】。在此方法中，用欧拉坐标系描写液体的流场，通过求 解一系列的基于质量与动量守恒和界面传递定律的偏微分方程，来得到结果，从 塑! ! 三些奎堂堡主堂堡丝兰苎二童堑丝 拉格朗日法的观点来考虑气相( 分散气泡) 对计算空间移动的每个气泡进行跟踪， 可以确定其运动轨迹和速度。这种模型可以避免数值模拟中的假扩散现象，但是 由于这种方法需要对每个气泡进行跟踪，确定其运动轨迹，就需要消耗大量的计 算时间和空间。 上个世纪8 0 年代以来，越来越多的研究者致力于探讨更完善地考虑滑移、 相间耦合与湍流扩散的两相模型。i s l l i i 【1 0 】等将两相流体单独处理，均看作为 连续介质，而把两相界面看作一个移动的边界，提出了双流体模型。这种模型要 求求解各相的质量守恒方程、动量守恒方程和能量方程，同时考虑两相之间的相 互作用。这种模型也是目前气液两相流动数值模拟所采用的主要模型。 为了使控制方程封闭，必须还要考虑气液两相流的湍流作用。较早在气液两 相流动模拟中考虑湍流的是d r c w 【l l 】等人，他们采用混和长度理论计算管内 泡状流动的含气率分布；l 【1 2 】等人较早的将i 一f 模型应用到泡状流动。目 前，将七一占湍流模型和气液双流体模型相结合的数值模拟方法已经广泛地应用 于各类工程计算中，取得了满意的结果。 1 4 本文主要研究工作 l 、阐述太阳能海水淡化技术与气液两相流动的数值模拟的发展与现状，阐 述低温蒸馏式太阳能海水淡化装置的结构与工作原理； 2 、详细介绍了多相流多功能引射器的基本结构及工作原理，并基于经典设 计理论对液一液气引射器进行设计与加工； 3 、建立实验台，进行实验研究，分析各种结构参数和操作参数对引射器性 能的影响； 4 、基于双流体理论建立液一液气引射器气液两相流_ j 一占湍流模型，并对引 射器进行了二维数值全流场数值模拟，分析各种参数对引射器性能的影响。 6 西北工业大学硕士学位论文第二章引射器的设计研究 2 1 前言 第二章引射器的设计研究 引射器是一种利用高压流体的射流作用抽吸低压流体进行质量和能量传递 的装置。高压流体可以是液体，也可以是气体( 包括蒸汽等) ，并称之为工作流 体，低压流体同样也可以是液体或者气体，并称之为引射流体；所以引射器有液 ( 工作流体) 一液( 引射流体) 型、气一液型、气一气型和液一气型等类型。 提高流体的压力而不直接消耗机械能是引射器的根本特点，所以相比采用机 械的真空设备简单而可靠；此外，引射器与各种设备相连接，其系统比较简单， 同时制造也不复杂，乃至不需要专门的制造工厂就可以制造出各种用途的引射 器。鉴于这些，引射器在动力、石油化工、国防：冶金、建筑、制冷、工业热工 及农业等技术领域得到了广泛的应用，尤其是把引射器应用在一些特殊生产过程 中，如真空蒸馏、真空蒸发、真空干燥等【1 3 】。 本文研究的多相流多功能引射器是以液体为工作流体，抽吸气、液两相介质， 进行传热、传质的一种流体机械，也可称之为液一液气引射器。它兼具液一液、 液一气引射器的功能和用途，主要用于低温蒸馏法太阳能海水淡化装置中。在该 装置中，系统内真空度的高低及海水的含盐量是影响淡水质量的两个非常重要的 因素，而这两个因素均为本文研究的多相流多功能引射器直接决定。为了保证海 水在4 5 5 0 的低温下蒸发，系统内必须建立足够的真空度，这就需要引射器抽 吸系统中的水蒸汽和不凝气体等气相物质来完成；系统中海水的盐度太高，会使 产出的淡水质量下降，同时浓海水容易结晶，会影响装置使用效果和寿命，因此 引射器还兼具抽出系统中浓海水的作用。正是由于该种引射器中同时进行气液两 相介质的热质交换，而且还兼具多种功能，因此被称为多相流多功能引射器。 引射器自发明以来，已有一百多年的历史，早期的引射器研究主要通过实验 和修正的方法进行引射器性能的估计和主要部件的设计。5 0 年代后，一维计算 分析理论的建立和实验研究的积累，使设计人员可以使用计算图表来预测引射器 的性能，并利用无量纲经验参数来设计引射器的部件。7 0 年代后，随着计算机 技术的发展，极大的促进了引射器研究工作的开展。对应用不同场合的引射器， 进行了性能优化的研究，提高了引射器的性能。9 0 年代以来，由于计算流体力 学的发展，使得通过求解n s 方程模拟引射器的复杂流场成为可能【1 4 】。 到目前为止人们对液一液和气一气等单相引射器已经有了比较全面的认识 7 西北工业大学硕士学位论文 第二章引射器的设计研究 和研究，对液一气、液一液固引射器的认识也在不断深入，但是对于液一液气引 射器的理论研究，国内外都很少见。本文将对液一液气引射器进行设计、实验研 究和数值模拟。 2 2 引射器的工作原理 2 2 1 紊动射流理论 射流是指从各种排泄口射出或靠机械推动流入周围另一流体域内的一股运 动流体。按流动型态射流可分为层流射流和紊动射流( 湍射流) ；按断面形状可 分为平面( 二维) 射流、圆形射流和矩形射流；按环境边界的情况可分为无限射 流和有限射流；按射入流体的状态可分为伴随射流和自由射流。本引射器喷嘴出 口射流属于三维圆形出口有限伴随紊动射流。 流体从喷嘴喷出，射入一个无限空间的静止流体中形成一个三维流动，其过 程可描述如下。流体射入静止环境中时，与周围静止流体之间存在速度不连续的 间断面，间断面一般受到不可避免的干扰，失去稳定而产生涡旋，涡旋卷吸周围 流体进入射流，同时不断移动、变形、分裂产生紊动，其影响逐渐向内外四周发 展形成一个自由紊动的混合层。由于动量的横向传递，卷吸进入的流体取得动量 而随同原来射出的流体向前流动，原来的流体失去动量而降低速度，在混合层中 形成一定的流速梯度，出现剪切应力，因此也称为剪切层。卷吸与掺混作用的结 果，射流断面不断的扩大，而流速则不断降低并趋于均匀，流量却沿程增加【1 5 】。 图2 一l 位紊动射流的原理图，图中标出了射流各区段的划分。紊动射流在形 成稳定的流动形态后，整个射流可划分为几个区段：由喷口边界起向内外扩展的 紊动掺混部分为湍流剪切层混合区；中心部分未受到掺混影响，保持原来出口流 速，称为核心区。从出口至核心区末端的一段称为射流的起始段。湍流充分发展 以后的部分称为射流的主体段。主体段和起始段之间有一个过渡段。过渡段较短， 在分析中为了简化往往被忽略。令b 表示射流主体段的半厚度，实验观测得知射 流的厚度是线性扩展的，但主体段的扩展率和起始段略有不同，将主体段的边界 线延长交于轴线上o 点，o 点称为射流源。以o 点为坐标原点，则 6 一= c o n s t x 8 ( 2 1 ) 西北工业大学硕士学位论文 第二章引射器的设计研究 射流 ，弋， ? 沁警暂 o3土 = i = = 叁 、ij- j 裂il 文 一 ， 箕蕊眩心区：皇么孑、心： 扣。2 u 。ij = 7 u 一 j i 刈乏 1 i i i “日“ 过渡段i主体段 图2 - l 紊动射流的原理图 引射器的引射过程实质上是一种射流现象。但与自由射流比较，引射器内的 射流有其自身的某些特点【1 6 】：1 在混合室内，由于受到器壁的限制，射流边 界不能自由扩展，故是一种受限射流。2 在混合室内，沿射流轴线方向的压力在 一定程度上逐渐恢复，即其压力不是恒定的。可以说，引射器的引射过程实质上 是一种受限射流现象。但是，无论是自由射流或是受限射流，其射流断面上的速 度场的分布规律都是相同。 2 2 2 引射器基本结构与工作过程 液一液气引射器的原理图如图2 2 所示。其主要部件有：l 、工作喷嘴2 、 吸入室3 、混合室4 、扩压管。 高压工作液体通过渐缩型工作喷嘴，势能转化为动能，压力从p 。降到 p p i = p ：r ，而速度从w p 增加到w p l 。 从喷嘴喷出的流体进入吸入室，形成紊动射流，由喷嘴出口造成的低压抽吸 从两个引射入口流入的引射流体一同进入混合室。随着离喷嘴距离的增加，流动 着的流体的质量流量依靠引射介质的加入而不断地增加。在离喷嘴出口截面某一 距离时，向混合室流动的流体将充满吸入室的整个截面。 在混合室进口截面上，速度场沿半径方向有很大的不均匀性，如图2 3 所示。 9 西北工业大学硕士学位论文 第二章引射器的设计研究 在流束的边界上流体速度不是很大，而在流束的轴线上，流体的速度接近于工作 流体从喷嘴流出的速度w n ，。可以假设在入口截面上的流体是有两股轴流体所组 成：质量流量为g 。和较大的平均速度w 。的中心流体；质量流量为g 。和很小速 度w 。：的周围流体。工作和引射流体的压力及速度随着距离喷嘴的距离增加而逐 渐趋于均匀，压力由入口的p 2 提高到出口的以，速度混合均匀至呐，最终在混 合室终端面上，达到一个足够均匀的压力场儿和速度场嵋。 图2 2 液液气引射器的原理图 2 f 3 3 7 | 6 h刿 _ 。 、 - - 一 u ， 如 v o ei f p i 伽= - 。j ， 、 2 3 图2 3 混合室入口和出口截面上的速度场示意图 然后混合物进入扩压管，压力进一步提高到戌，速度下降到w c ，最终混合 物即在压力p c 下以速度w c 从引射器流出。图2 2 表示了引射器内部静压力的 l o 西北工业大学硕士学位论文 第二章引射器的设计研究 变化示意图。 2 2 3 引射器主要指标 1 容积引射系数( 简称引射系数) 在液液气引射器中，引射气相物质的质量远小于工作液体的质量，所以不 能轻易的改变工作液体的速度。在这种情况下，若引用同相引射器的计算公式， 将会导致理论计算值比实验值高出很多倍，因此，在液液气引射器的设计计算 中，往往用容积引射系数代替质量引射系数； 嘞= 等= 半氆+ 嘶 c 2 劫 式中：磉为引射流体的体积流量； 匕和巧分别为引射气相的体积流量和引射液相的体积流量； 珞为工作流体的体积流量； 。和“，分别为气相引射系数和液相引射系数。 2 含气比 矿 肛毒 2 _ 3 引入含气比是为了表征引射介质中气相的体积含量其中略= + 巧当 = o 时表示气相体积含量为0 ，液一液气引射器成为液一液引射器，同理= l 时表示液一液气引射器成为液一气引射器。 2 3 引射器设计 2 3 1 引射器的工况范围 本文所研究的引射器是在已知工作流体和引射流体的参数以及引射器出口 压力的情况下，确定引射器可以达到的引射系数，进而确定其所需的几何尺寸。 本文设计的引射器用于太阳能海水淡化装置中，主要目的是为了抽出系统中 西北工业大学硕士学位论文 第二章引射器的设计研究 不凝气体及部分蒸气，以使海水在较低温度下持续蒸发；另外，及时排出浓海水 避免结晶。因此引射器的工作状况如下： 须保证蒸发器内的饱和温度：4 5 “8 工作流体压力：o 2 5 加4 5 m p a 背压；o 1 m p a 2 3 2 引射器的设计计算 本文设计的液一液气引射器涉及气液两相流体的能量交换，因此，目前尚无 通用的理论计算公式，对其所采用的设计计算方法多是一些与实验数据相接近的 经验或半经验公式。 据实验表明，圆柱形混合室与其他形状的混合室相比能够很大程度上恢复压 力，而且制作简单。所以除大压缩比情况外，一般均选用圆柱形的混合室形状。 因此，可确定本文所研究引射器的基本形状，如图2 3 所示( 为了不影响视图， 另一引射流体入口未画出) 。 图2 - 4 液一液气引射器的模型图 根据理论研究，引射器主要径向尺寸主要由引射系数确定。根据经验公式， 适应本文所研究引射器的引射系数主要由下式【1 2 】进行计算： “雁一 叫， 式中：婢= 耳一昂为工作流体的可用压差； 蛾= 最一忍为引射器造成的压差； 西北工业大学硕士学位论文 第二章引射器的设计研究 昂为工作流体的压力； 晶为引射流体的压力； 昂为引射器背压，即扩压管出口压力； k 为真空系数，文献【1 2 】建议k = o 8 5 。 根据上式结合文献【1 2 】推荐的经验公式，可得引射器主要径向尺寸： 1 喷嘴尺寸 对于引射器而言，混合室与喷嘴出口的截面比工矗。对引射器的性能有很大 的影响。因此本文将对此进行较为深入的实验研究，在进行引射器设计时，初步 按照以下公式确定工作喷嘴出口面积： 厶：生 仍 ( 2 5 ) 式中：磊。为工作喷嘴出口截面积； g ，为喷嘴流量； 仍为工作流体经喷嘴的速度系数； 1 ，。为工作流体的比容。 为了确定最佳的混合室出口与喷嘴截面比，根据所研究的工况范围，本文分 别选择喷嘴出口截面直径为以。= 1 2 ，1 6 ，2 0 m m ，进行数值模拟与实验研究，以 确定最适当的喷嘴尺寸。 2 混合室截面直径 根据文献【1 2 】。有如下经验公式： 舞小器 式中：正为混合室的截面积。 本文在混合室截面直径为或= 3 7 m m 的情况下， 径时的引射器性能进行研究。 3 扩压管尺寸 ( 2 6 ) 对采用不同喷嘴出口截面直 文献【1 2 】建议扩压管扩张角取8 l o 。，当扩张角取8 。时，局部损失系 数最小【1 7 】。因此本文取口= 8 。 扩压管的出口截面面积按下式确定： 西北工业大学硕士学位论文 第二章引射器的设计研究 左：螋 ( 2 7 ) p c c 式中：g ，为工作流体质量流量； g 。为引射流体质量流量； 肪为在扩压管出口处混合流体密度； 国。为在扩压管出口处混合流体流速。 因此取得扩压管出口截面积直径为办：6 5 m m 。 根据理论研究，引射器轴向尺寸，主要由工作流体从喷嘴喷出时产生紊动射 流的自然流束长短来确定。根据经验公式，确定引射器轴向尺寸如下： 1 喷嘴距混合室的距离 根据a p h 0 删? a t 吼a 与e 锄e s 【1 8 】对喷嘴位置对引射器性能的影响的实验研 究可知： a 、对于确定的工作流体压力和引射流体压力，当喷嘴位置移近混合室，蒸 发温度下降。在一定喷嘴位置，温度下降到最低水平。再把喷嘴移到混合室的更 深处去会引起蒸发温度的提高。 b 、对于固定的喷嘴位置，当引射流体压力下降或工作流体压力升高，蒸发 温度下降。然而。当喷嘴离混合室入口位置距离很大时，引射流体与工作流体压 力的影响就减小了。 c 、最佳喷嘴位置与工作流体和引射流体的压力有关。增大引射流体压力或 减小工作流体压力使得喷嘴最佳位置向混合室内移动。反之亦然。 但是必须指出，根据测试结果，一个单一的最佳喷嘴位置不可能符合所有的 运行条件。每一种运行条件需要一个特殊的喷嘴位置。 a p h o m r 北m 与e a m e s 得出最佳喷嘴位置在混合室进口段内0 1 5 m m ，本文 取1 2 m m ，这与a p h o m r 翻m a 的研究成果及e s d u 推荐的把喷嘴出口放置在混合 室开口前o ，5 1 o 倍混合室直径长度的位置是一致的。 2 混合室长度 据实验表明，圆柱形混合室与其他形状的混合室相比能够很大程度上恢复压 力，混合流体在混合室内混合的均匀程度对扩压管的工作效率影响很大。流体速 度场越均匀，扩压管的中流体动能转换成势能的损失越小。因此，要有合理的