（化学工程专业论文）基于fluent的喷射器数值模拟与结构优化研究.pdf

i - 一 l至fy删舢1删8胛8舢9删6i删哗攀 _ - - - _ - _ - _ _ - _ _ - - - _ _ _ - _ _ _ _ - - _ - - - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 。- _ 。_ - - 。_ _ 。_ 。o o 。o 。o o o 。o o o o o o o o o o o 一 o | i - _ l l - l l _ m 摘要 喷射器是一种重要的工艺装置，广泛应用于能源动力、石油化工、冶金、轻工纺织、 制冷、工业热工等领域。它的根本性质是可以提高流体的压力而不直接消耗机械能。喷 射器虽然结构简单，但其内部流场十分复杂，包含了激波、粘性干扰、边界层、剪切层 的交互作用。现有的设计理论大多采用半经验半理论的方法，误差较大。关于喷射器的 数值计算是9 0 年代后发展的研究方法，通过数值分析，可对喷射器内的工作过程进行详 尽分析，对其整体性能进行优化设计。 本文针对微型射流器和大型喷射器，在其结构尺寸方面，研究工作进口、引射进口、 混合室长度等对其引射性能的影响；在操作工况上，分析工作压力、引射压力以及出口 压力对喷射器性能的影响，就其结构和工况优化设计做初步探讨。 通过对微型射流器内部流场的分析，得出了引射系数随射流器结构参数的变化规 律。当出口直径小于6 m m 时，引射系数随出口直径的增大而增大；当出口直径为6 - 一7 m m 时引射系数有最优值；就该微型射流器而言，圆柱形混合室的最优长度为其直径的 4 钆5 6 倍。工作进口和引射进口直径的变化规律具有相似性，即呈现二次抛物曲线性质 的规律。 通过对大型喷射器的分析，对三维结构进行简化，以二维结构建立模型，分别考察 工作条件和尺寸结构对喷射器工作性能的影响。流体出口、混合室直径和工作进口的尺 寸改变对引射性能的影响趋势相似，都是随着尺寸的增大，引射性能逐步改善。当尺寸 增大到一定值时，出现了“中间迟钝区 。对流体出口尺寸而言，中间迟钝区在9 0 1 2 0 m m 之间：对混合室直径而言，中间迟钝区在6 0 9 0 m m 之间；对工作出口，中间迟钝区在 7 0 9 0 m m 之间。在1 8 0 2 5 0 m m 的范围内，混合室长度的改变对引射系数的影响不大， 基本维持在o 6 1 左右。对于喷嘴部分，喷嘴出口直径和喉部直径的变化规律相似，随着 结构尺寸的增大引射系数降低，工作流量增大，同吸收室对喷射器性能的影响恰恰相反。 根据数据分析可得出，其优化尺寸应分别为2 2 3 8 m m 、1 8 2 4 m m 。 关键词：c f d ，f l u e n t ，喷射器，数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee j e c t o ri sa l li m p o r t a n tp r o c e s su n i t i t sw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fe n e r g ya n dp o w e r , p e t r o c h e m i c a l ，m e t a l l u r g y , l i g h tt e x t i l e ，r e f r i g e r a t i o na n di n d u s t r i a lt h e r m a l t h ef u n d a m e n t a l n a t u r eo ft h ee j e c t o rc a ni n c r e a s et h ef l u i dp r e s s u r ew i t h o u td i r e c tc o n s u m p t i o no ft h e m e c h a n i c a le n e r g y t h ee j e c t o rs t r u c t u r ei ss i m p l e ，b u tt h ei n t e r n a lf l o wf i e l di sv e r yc o m p l e x i n c l u d i n gt h ei n t e r a c t i o no fs h o c k w a v e ，v i s c o u si n t e r f e r e n c e ，b o u n d a r yl a y e ra n ds h e a rl a y e r m o s to ft h ed e s i g nt h e o r i e sh a v eal a r g em a r g i no fe r r o rb yu s i n gs e m i - e m p i r i c a lm e t h o d t h e r e s e a r c hm e t h o do fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nh a sd e v e l o p e ds i n c e9 0 s b yn u m e r i c a la n a l y s i s ， y o um a yc a r r yo nt h ee x h a u s t i v ea n a l y s i st ot h ew o r k i n gp r o c e s so fe je c t o ra n dy o um a y o p t i m i z ea n dd e s i g nt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fe j e c t o r t h i sp a p e ri sa i m e da tm i n i a t u r ee j e c t o ra n dl a r g e - s c a l ee j e c t o r i nt e r m so fi t ss t r u c t u r a l s i z e ，t h er e s e a r c hi sa b o u tt h ei n j e c t i o np e r f o r m a n c ei n f l u e n c eb yw o r ki m p o r t s ，t h ei n j e c t i o n i m p o r ta n dt h em i x t u r ec h a m b e rl e n g t h o nt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，ia n a l y s i sp e r f o r m a n c e i n f l u e n c et oe j e c t o rb yr e s e a r c h i n gw o r k i n gp r e s s u r e ，i n j e c t i o np r e s s u r ea sw e l la so u t l e t p r e s s u r e m a k et h ep r e l i m i n a r yd i s c u s s i o no no p t i m i z a t i o nd e s i g nt oi t ss t r u c t u r ea n dt h e o p e r a t i n gc o n d i t i o n s b ya n a l y s i si n t e r i o rf l o wf i e l do fm i n i a t u r ee j e c t o r , w eo b t a i nt h ev a r i a t i o no fi n j e c t i o n c o e f f i c i e n ta l o n g 晰t l ls t r u c t u r ep a r a m e t e r s w h e nt h eo u t l e td i a m e t e ri sl e s st h a n6 m m t h e i n j e c t i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sa l o n gw i t ht h eo u t l e td i a m e t e ri n c r e a s e s w h e nt h eo u t l e t d i a m e t e ri s6 7 m m ，t h ei n j e c t i o nc o e f f i c i e n th a st h eo p t i m u mv a l u e t ot h i sm i n i a t u r ee je c t o r , t h eo p t i m a ll e n g t ho ft h ec y l i n d r i c a lm i x t u r ec h a m b e ri s4 4 - 5 6t i m e st h a ni t sd i a m e t e r t h e c h a n g er u l eo fw o r ki m p o r td i a m e t e ra n dt h ei n je c t i o ni m p o r td i a m e t e ri ss i m i l a r i t y i ta p p e a r s t oh a v eas e c o n d - d e g r e ep a r a b o l ar e l a t i o n b ya n a l y s i sl a r g e - s c a l ee j e c t o ra n ds i m p l i f yt h et h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e ，w eb u i l d m o d e lb yt w o d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e t h ei n f l u e n c eo fw o r k i n gc o n d i t i o na n ds i z es t r u c t u r et o o p e r a t i n gp e r f o r m a n c ea r er e s e a r c h e d t h ei n f l u e n c et e n d e n c yo fi n j e c t i o np e r f o r m a n c ei s s i m i l a ra l o n gw i mt h es i z ec h a n g eo ff l u i do u t l e t m i x t u r ec h a m b e rd i a m e t e ra n dw o r k i n g i m p o r t a l o n g 、椭t l ls i z ee n l a r g e m e n t t h ei n j e c t i o np e r f o r m a n c ei m p r o v e sg r a d u a l l y w h e nt h e s i z ei n c r e a s e st oac e r t a i nv a l u e ，”t h em i d d l es l o wz o n e ”i sa p p e a r e d t ot h es i z eo ff l u i d o u t l e t ，t h em i d d l es l o wz o n e ”i s9 0 - 12 0 m m t ot h es i z eo fm i x t u r ec h a m b e rd i a m e t e r , i ti s 6 0 9 0 m m t ot h es i z eo fw o r k i n gi m p o r t ，i ti s7 0 9 0 m m i nt h er a n g eo f18 0 2 5 0 m m ，t h e l e n g t hc h a n g eo fm i x t u r ec h a m b e ri sl i t t l et ot h ei n f l u e n c eo fi n j e c t i o nc o e f f i c i e n t r e g a r d i n g t h en o z z l e ，t h ev a r i a t i o no fn o z z l eo u t l e td i a m e t e ra n dt h r o a td i a m e t e ri ss i m i l a r t h ei n j e c t i o n c o e f f i c i e n ti n c r e a s e sa l o n gw i t ht h es t r u c t u r es i z et or e d u c e t h ew o r kc u r r e n tc a p a c i t y i n c r e a s e s t h ei n f l u e n c eo fe j e c t o rp e r f o r m a n c et ot h ea b s o r p t i o nc h a m b e ri sj u s to p p o s i t e a c c o r d i n gt od a t aa n a l y s i s ，i t so p t i m i z e ds i z es h o u l dr e s p e c t i v e l yb e2 2 - 38 m m ，18 2 4 m m k e y w o r d s ：c f d ，f l u e n t ，e j e c t o r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 喷射器简介1 1 2 1 工作原理1 1 2 2 喷射器的重要参数2 1 2 3 喷射器的主要损失及其效率2 1 2 4 描绘喷射器的三个定律3 1 2 5 喷射器的主要设计方法3 1 3 喷射器的分类及其应用4 1 3 1 喷射器的分类4 1 3 2 喷射器的应用5 1 4 喷射器的国内外发展状况及特点6 1 4 1 喷射器的国内外发展状况6 1 4 2 喷射器发展过程中的特点6 1 5 c f d 概述7 1 5 1 c f d 方法介绍7 1 5 2 c f d 技术在喷射器上的研究7 1 5 3 f l u e n t 简介8 1 5 4 喷射器数值模拟过程中存在的主要问题8 1 6 本文主要工作、难点及创新点8 1 6 1 本文的主要工作8 1 6 2 本文难点和创新点9 第二章喷射器的数值模拟过程1 1 2 1 喷射器数值模拟过程中的两个现象1 1 2 1 1 “中间迟钝区 1 1 2 1 2 激波现象1 1 2 2 喷射器数学模型的控制方程1 2 2 3 无反应时的喷射器模拟模型及策略1 3 2 4 湍流模型的建立1 4 2 4 1 湍流流动的特征1 4 2 4 2 湍流数值模拟方法1 4 2 4 3 湍流的基本方程1 4 2 4 4 标准k 一模型1 6 i 目录 2 5 模型建立时的一些处理1 6 2 5 1 壁面边界层的处理1 6 2 5 2 网格的划分1 7 2 5 3 边界条件的给定1 7 2 6 计算区域的离散1 7 2 6 1 离散化概述1 7 2 6 2 有限体积法1 8 2 6 3 离散方程的求解1 9 2 7 小结2 0 第三章微型射流器的数值模拟分析与验证2 1 3 1 射流器的模拟条件2 1 3 2 湍流模型2 2 3 3 g a m b i t 建模2 2 3 3 1 微型射流器的结构尺寸2 2 3 3 2 g a m b i t 建模2 2 3 3 3 网格划分形式与疏密程度的影响2 3 3 4 结构参数对喷射器性能的影响2 5 3 4 1 出口锥角对射流器性能的影响2 6 3 4 2 混合室参数对射流器性能的影响2 7 3 4 3 工作进口直径对引射系数的影响2 9 3 4 4 引射流体进口直径对引射系数的影响3 1 3 5 模拟数据的验证3 3 3 6 小结3 4 第四章大型喷射器的数值模拟分析3 5 4 1 物理模型与网格划分3 5 4 1 1 三维模型3 5 4 1 2 简化模型3 5 4 2 二维离散方程的建立与求解3 9 4 2 1 二维问题的基本方程3 9 4 2 2 二维问题的离散方程3 9 4 2 3 离散方程的求解3 9 4 3 工作条件对喷射器的影响3 9 4 3 1 工作进口压力对引射系数的影响4 0 4 3 2 引射口压力对引射系数的影响4 1 4 3 3 混合流体出口压力对引射系数的影响4 2 4 4 喷射器尺寸对引射性能的影响4 3 4 4 1 混合流体出口直径对引射性能的影响4 4 i i i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 近年来由于环境、资源和能源危机，对节能的要求不断越高，利用高效的设备、改 进工艺条件、设计新的产品成为化工行业中赢得竞争的重要途径。降低成本、提高产品 收率、节约能耗等所带来的好处也成为关注和研究的重点。近年来，流体学的迅猛发展 为工程流体问题的研究提供了有力的工具。利用这些流体力学技术和手段能够对设备内 部进行详细的研究分析，从而有利于进行相关的设计和优化工作。 喷射器是一种重要的工艺装置，它的根本性质是可以提高流体的压力却不直接消耗 机械能。在实际工作中，喷射器主要有两方面的应用：一、提供低压环境，可用于介质 的抽吸，常用做真空泵；二、在喷射出口处，混合流体经由扩压室，提升混合流体的压 力【1 。3 】。喷射器结构简单、成本低；通常可连续工作并且管理、维护十分方便；与其它 设备连接的系统也非常简单，很容易实现；对流体无严格要求，工作范围宽，可用于易 燃易爆、有毒、腐蚀性强的各种流体介质。喷射器的这些特性使得它在国内外的能源动 力、石油化工、冶金、轻纺、制冷等领域得到了广泛应用。 但同时工作条件的改变对喷射器的工作效率影响很大，对特定的工作条件只有设计 出特定结构的喷射器，才能有较高的工作性能。喷射器虽然结构简单，但其超音速喷嘴 内部流场十分复杂，其包含了激波、粘性干扰、边界层、剪切层的相互作用。现有的设 计理论大多采用半经验半理论的方法，误差较大。9 0 年代以来关于喷射器数值计算的研 究逐渐发展，通过数值分析，可对喷射器内的流场进行详尽研究，对其整体性能进行优 化创新。 1 2 喷射器简介 1 2 1 工作原理 喷射器是一种能量转换装置，在这种装置里，两股压力不同的流体相互混合并发生 能量的交换，形成一股压力居中的混合流体。喷射器通常由四个部分组成：喷嘴、吸收 室、混合室和扩压室。其结构如图1 1 所示： ，工作流 在混合室 分为三个 被主动吸 流体压力 引射系数p 是衡量喷射器的工作能力的重要指标。“表示在一定工况下，单位工作 流体所能抽吸的引射流体能力的大小，p 越大，表示抽吸能力越强。在数值上它等于引 射流体的质量流量g h 与工作流体的质量流量g d 之比，即： = g 口g h ( 1 - 1 ) 1 2 3 喷射器的主要损失及其效率 喷射器在工作过程中的能量损失主要要两个：一是流体与喷射器内壁摩擦所产生的 损失；二是工作流体和引射流体在喷射器内混合碰撞而产生的损失。因此在进行喷射器 的制造时，提高内壁的光滑度，在喷射器工作时，设法降低工作流体和引射流体的速度 差可降低能量损耗。 喷射器的完善性用效率来衡量。喷射器的效率，就是指引射流体获得的工作能力与 2 墨二童笙丝 工作流体丧失的工作能力的比值。根据分析目的的不同，喷射效率有不同的表达式。对 喷射器工作的调节，就是为了尽可能地减少损失而提高效率。对喷射器进行调节，提高 喷射器的引射系数可以提高其效率。 7 ：擘掣( 1 - 2 ) 婶j 口一p c ) 式中e d 、e h 、e 。分别为工作流体、引射流体及混合流体的单位做功。 1 2 4 描绘喷射器的三个定律 虽然喷射器的工作介质和种类有很多，工作过程也不尽相同，但所有的喷射器都符 合能量、质量和动量守恒定律： 1 ) 能量守恒定律 h 口+ 眺= ( 1 + ) 玩( 1 - 3 ) 2 ) 质量守恒定律 g 。= g 口+ g ( 1 4 ) 3 ) 动量定律 ， g p w ，l - i - g h w h l 一( g p + g h ) w c 2 p 3 a 。+ i p d a 一( p p l + p h l a h l ) ( 1 - 5 ) 式中w p 。是喷嘴出1 ：3 的流体速度；w h 。是引射进口的流体速度；心是出口流体的速 度；4 是出口面积；p 口。是喷嘴处压力；p 。是引射压力；a n 。是引射口面积。 1 2 5 喷射器的主要设计方法 虽然喷射器本身无运动部件、结构简单，但设计计算却很复杂m 巧】。其设计方法主 要有以下三种： 一、经验系数法 经验系数法是利用经验系数和实验图表来设计喷射器尺寸的。在机械工程手册 【6 】中喷射器的设计主要就采用这种方法。经验系数法要求设计人员有丰富的经验，对不 同种类和结构的喷射器选用不同的引射系数。如果引射系数选用不当，设计出来的喷射 器性能较差，有可能达不到喷射器的正常工作状态。 二、经典热力学法 依据热力学第一、第二定律为基础，经典热力学法以经验的方法来处理喷射器关键 部位的尺寸，如喷嘴长度、扩散室的直径和长度等。该方法理论性强，经长期的改进， 其经验部分已经比较成熟。 经典热力学法依据喷射器的热力学过程进行计算设计，计算简单、方便。其主要缺 点是大力的简化了混合过程，其中大多采用定压混合模型，而且忽略了混合室的几何影 响，对混合室采用等面积混合模型，甚至是绝热模型。 三、气体动力函数法 该法以气体动力学理论为基础，依据能量守恒定律，引进折算速度，相对密度，相 对温度等动力函数，通过理论推导和经验修正而成的一种方法。其与经典热力学法有些 3 翌里奎兰婴主堂垡丝茎 类似，但由于引入了相关的动力函数，并以经验对流体流动作了合理的修正，该设计方 法的合理性有了较大的提高，使喷射器的计算结果得到保证。但气体动力函数法计算复 杂，需要多次的迭代试差。 1 3 喷射器的分类及其应用 1 3 1 喷射器的分类 喷射器的名称和种类很多，在不同的文献中有不同的叫法，如喷射器、引射器、混 水器等，目前尚无统一的分类方法。常用的分类方法有以下几种： 第一，根据工作流体和引射流体介质状态来分。其分类如表1 - 1 所示。 表1 - 1 喷射器分类【7 】 工作流体引射流体 第二，根据流体的弹性特征进行分类。一是两种流体都是非弹性流体；二是只有一 种流体是弹性流体；三是两种流体都是弹性流体。 第三，根据压缩比和膨胀比进行分类：一是大膨胀比和中等压缩比的喷射器，称为 喷射压缩器；二是大膨胀比和大压缩比的喷射器，称为引射器；三是大膨胀比和小压缩 比的喷射器，称为喷射器。具体见表1 2 。 4 第一章绪论 表1 2 喷射器分类l 7 j t a b 1 2e j e c t o rc l a s s i f i c a t i o n 裔 相互作用介质的状态相互作用介质的特征压缩比喷射器名称 同工作介质和引射介质 弹性介质 相相态相同 异工作介质和引射介质 相相态不同 变其中一种介质相态改 相变 非弹性介质 工作介质是弹性的引射介质 是非弹性的 工作介质是非弹性的引射介 质是弹性的 工作介质和引射介质都是1 弹性的 工作介质是弹性的引射介质 是非弹性的 工作介质是1 乍弹性的引射介 质是弹性的 灭- f2 5气体引耵器 小于1 2气体喷射器 任意喷射泵 任意 气力攀啼射 任意 水警引射 任意 水力攀喷射 任意汽一水喷射器 任意 气黼式 另外，根据射流喷嘴的内部位置及射流流向，分为上喷式、下喷式及水平式喷射反 应器；根据物料循环次数的不同，有单次喷射反应器和喷射环路反应器。 1 3 2 喷射器的应用 喷射器前期多应用于输送、抽真空、传质和制冷等化工单元操作中，而真正做为反 应器则起步较晚。但近年来不少科研工作者致力于扩大喷射器在工业上的应用，取得了 很大的进展【8 】： ( 1 ) 化工领域 主要应用于催化加氢、次氯化氯化、磺化硫酸化等一些反应中，此外在喷射吸收 制超细碳酸钙、纯碱吸收n o 和n 0 2 、制备硝酸盐等生产中也有应用。在石油化工方向， 主要用于氯乙醇的生产、重油的催化裂化、聚氧乙烯型非离子表面活性剂的生产等。 ( 2 ) 环保领域 主要用于废气、污水的处理。在废气处理中主要应用于用氢氧化钠溶液吸收氧氯化 反应放出的c 1 2 ，吸收工业废气中的s 0 2 ，用喷射反应装置对水煤气脱硫工艺进行优化 设计等。一些地区也将喷射技术应用于处理城市污水。 ( 3 ) 生工领域 由于生化反应以放热反应居多，而且体系温度低，冷却温差小，要求有较高的传热 系数和较大的传热面积，使培养液混合良好：对于一些需氧反应，还要求有较大的供氧 能力，喷射器可以满足以上要求。目前其主要应用于青霉素的生产、红霉素发酵、苏云 金杆菌的制备等过程。 5 江南大学硕士学位论文 1 4 喷射器的国内外发展状况及特点 1 4 1 喷射器的国内外发展状况 至今喷射器已有1 0 0 多年的发展史。早在1 9 世纪末，g 佐伊纳和m 兰金便对喷射 器的设计理论做出了阐述。但这个理论并不完善，比如如何选择适宜的剖面形状，如何 确定喷射器的纵向尺寸等问题，该理论均无法解决。在相当长的一段时期内，对特定用 途的喷射器的研究和分析促进了喷射设计及理论的发展。 1 9 3 1 1 9 4 0 年，前苏联中央流体力学研究所，全苏热工研究所对喷射器进行了较多 的研究。根据研究得出了设计计算喷射器的方法。 1 9 3 5 1 9 4 8 年，中央流体力学研究所设计出了首批蒸气喷射装置。 1 9 4 4 1 9 4 8 年，全苏热工研究所对喷射器进行了理论和实验研究，推导出了喷射器 在变工况下的特性方程，并确立了设计计算喷射器尺寸的方法。 台湾大学的b j h u a n g ，j m c h a n g 等人对喷射制冷系统进行了深入的研究。提出了 激波的位置与混合室的扩散角、喷嘴的位置及管壁内部的粗糙度有关 9 1 。 但由于在工作条件改变的情况下喷射器的效率急剧降低，在一定程度上限制了喷射 器的发展。此后的一段时间内，喷射器的发展比较缓慢。 7 0 年代初，世界能源开始紧张，喷射器的节能作用再次引起人们的重视和研究。如 某公司利用喷射器回收低压蒸汽，创年利润近7 0 万【l0 1 。在潍坊纯碱厂，利用新型的并 联补偿喷射热泵技术，对废水热量进行回收，节能显著。 我国对喷射器的研究历史较短，尚处于起步阶段，早期主要以索科洛夫的喷射器 为指导。2 0 世纪8 0 年代开始从理论、实验和应用上对喷射技术进行研究。王小林和瞿 建国研究了喷射器在供热系统中的应用【l ，张于峰和孙洲阳对喷射式制冷技术进行了研 究分析厶1 3 】，山东工业大学的刘爱萍、南京工业大学的徐海涛、桑芝富通过数值计算分 析了喷射器在在不同工作条件下的引射性能【1 4 1 5 】。大连理工大学能源研究所进行了喷射 器一维和多维的数值计算和实验研究工作【m o9 1 。 1 4 2 喷射器发展过程中的特点 由喷射器的国内外发展，可以看出喷射器理论是以试验为导向，在试验中形成的数 据和大量经验的基础上形成的。到目前为止，各种理论在一定程度上都有一定的局限性， 有些理论甚至还存在着矛盾。比如m u n d a r 和b a s e t r 提出的半经验理论能较好的解释喷 射器内流体的壅塞现象，但该理论却假设有效面积和喷射器的内部结构和工作条件无 关，而事实上有效面积却与喷射器的内部构造和工作条件等紧密相关1 2 陀3 1 。 目前人们普遍接受了k e e n a n 等人提出的定压混合理论1 2 4 2 6 j ，该理论对喷射器做如 下假设：喷射器内流体的流动是一维的；除了激波流体的流动是等嫡流动并且没有摩擦； 在进入喷射器之前工作流体和引射流体都是处于静止状态的；流体混合后保持相同的压 力且不发生变化一直到流体由出口流出。 该假设存在一定的局限性，在1 9 9 3 年k u e n t z o n gl u l 2 7 j 证明该假设中的在进入喷射 器之前工作流体和引射流体都是处于静止状态不具有普遍性，甚至在某些情况下带来很 6 第一章绪论 大的误差，严重影响了喷射器的设计计算。随着计算机技术的迅速发展，数值模拟从一 维向三维发展，在一定程度上取代了试验。然而，由于喷射机理尚不完全清楚，喷射理 论的假设都比较苛刻，数值模拟对经验常数的依赖还很大1 2 3 3 j 。 1 5 c f d 概述 1 5 1 c f d 方法介绍 c f d ( c o m p u t e rf l u i dd y n a m i c s ) 甚p 计算流体力学，是以计算机对流体流动、传热和一 些其它的相关物理过程进行模拟的一种方法。从二十世纪7 0 年代中期，人们已经开始 利用计算流体力学对速度场、温度场和浓度场等各种流场进行分析、计算。此外，c f d 广泛应用于传质、传热、相变、化学反应以及结构的压力和变形等方面【3 4 1 。其优势在于 利用它的设计成本低，具有很好的可重复性，开发周期短，可以选择多种方案，进行设 计、优化和放大等一系列工作更加便捷。近年来随着计算机技术和流体力学的发展，c f d 技术得到了迅猛的发展，广泛应用于汽车设计、化工、环境工程、生物医学、暖通空调、 核工业、能源动力和建筑业等众多领域中p 引。 c f d 技术与传统的理论方法、试验方法构成了流体力学的完整体系。传统的理论方 法计算结果具有普遍性，是进行实验研究和验证数值计算的基础。但同时为了得出理论 解，需要对计算模型进行一定的简化。 试验方法得到的结果真实可靠，它是理论方法和数值方法的基础。然而试验过程往 往受到流场干扰、模型尺寸等的限制，有时试验的可行性实施较难，此外还常常会遇到 人力、物力以及实验周期长等困难。 c f d 技术恰好克服了以上两者的弱点，在计算机上运行一次数值模拟计算，就像进 行了一次实验过程一样，从中可以看到速度场、压力场、温度场、应力分布、激波的运 动以及随时间的变化等。数值模拟可以形象地体现出流体的流动，而且与做实验相比， 观测的更加清晰明了。 1 5 2 c f d 技术在喷射器上的研究 早期由于计算机技术的限制，当时的研究者通常采用简化的一维或二维模型对喷射 器进行数值模拟分析，简化模型降低了数值计算的计算量，节约了时间。但其缺点是并 不能真正的反映喷射器内部流体的流动信息。近年来，随着计算机技术的迅猛发展，使 得对喷射器进行三维模拟成为一种可能。r i f f a t 等建立了三维、不可压缩流体模型对喷 射器内部的流场进行了模拟，考察了不同的喷嘴结构与喷射器内回流现象的关系【3 引。陈 中等将模拟计算区域限定在二分之一的混合室内，对其内部的流体流动特性进行分析研 列3 7 1 。何培杰等将射流混药装置简化为二维轴对称模型，以动量方程和标准k 吨湍流模 型建立混合管的数学模型，对混合管内流场进行研究，分析了混合管内部流动规律【3 引。 l i u 等在湍流流动和反应耦合的情况下对喷射器的放大进行了研究【3 9 】。l e h t o n e n 等研发 了一种半间歇式环型喷射反应器放大模型，用反应釜和轴向分散的概念来描述反应器内 的非理想流型，并通过实验进行了验证【删。k o l h a p u r e 等建立了商用多喷嘴管式反应器 模型，以三维稳态模型对单相湍流反应流进行了模拟【4 。 7 垩堕奎堂堡n 圭堂堡垒奎 1 5 3 f l u e n t 简介 本文以c f d 处理工具中的计算分析软件f l u e n t 为模拟平台，对微型射流器和大型 喷射器内部的混合流动和工况对其影响进行数值分析，下面对f l u e n t 作简单的介绍。 f l u e n t 是目前国际上比较流行的计算流体力学软件包，是用于模拟具有复杂结构 的流体流动以及热传导的流体模拟软件。f l u e n t 具有丰富的物理模型、强大的数值方 法以及先进的前后处理功能，广泛应用于汽车设计、涡轮机设计、航空航天和石油天然 气等方面。 f l u e n t 软件模块包括： 前置处理器软件g 锄b i t ，它包含了几何建模功能和网格划分功能，在网格划分 中可以划分包含边界层网格在内的一些特殊要求的高质量的网格。在f l u e n t 4 5 、 f l u e n t 5 、f i d a p 等软件中都可以用g a m b i t 建模所生成的网格进行数值计算分析。 f l u e n t 软件的后置处理器：f l u e n t 具有先进的后置处理功能，能对f l u e n t 数 值计算之后的数据和流场进行处理，包括等值线图、等值面图、流动轨迹图和速度矢量 图，同时可以对于用户关心的参数如模型中的压力、温度、流量和模型的受力情况等进 行示综分析。 1 5 4 喷射器数值模拟过程中存在的主要问题 通过对以往文献资料的查阅，发现以往的研究者对喷射器结构参数对性能的影响研 究时，通常仅通过压缩比或引射系数等单一的性能参数进行分析。对引射系数的变化规 律分析，均是在设计工况下进行的，对变工况的情形，并没有做出相关的数值计算分析。 在建立喷射器模型时，还应该更加的接近真实的工作情况，这样才能更好地反映出喷射 流场内流体流动的情况。 另外，进行喷射器内部流场的模拟分析时有很多的的补充工作要做，如流体的真实 物性的给出、形成适合的网格划分方案、选择正确的湍流模型、喷射器结构、性能及特 殊流动现象研究等，这要求使用者对f l u e n t 软件有着全面、准确的理解和操作，这是 一项非常艰巨的工作。 1 6 本文主要工作、难点及创新点 1 6 1 本文的主要工作 本文针对微型喷射器和大型喷射器，在其结构尺寸方面，研究工作进口、引射进口、 混合室长度等结构参数对其喷射性能的影响；在操作工况上，分析了大型喷射器模型的 工作流体压力、引射流体压力以及混合流体出口压力等对喷射器工作性能的影响；对喷 射器内部流场信息进行分析，针对不同工况和不同结构参数的影响对喷射器进行优化设 计研究。主要工作如下： 1 以型号为s 1 5 ( 1 2 ”b s p ) 的微型射流器为初始模型，进行三维模拟。分析结构参数 对微型射流器工作性能的影响，并进行结构优化； 2 根据索科洛夫的喷射器，初步设计好特定工况下的大型喷射器的结构尺寸； 3 在误差允许范围内，将设计好的大型喷射器进行简化处理，形成便于进行数值模 8 第一苹绪论 拟的二维物理模型，并在g a m b i t 中完成模型的建立、网格划分和边界条件的设置； 4 将g a m b i t 生成的文件导入f l u e n t 中，探寻出合适的求解模型，完成相关参数 的设置，对喷射器的内部流场进行数值计算； 5 改变喷射器的操作工况和结构参数，绘制不同参数状态下的速度或压力图，分析 其对喷射器性能的影响。对大型喷射器进行结构的优化设计，得到在给定结构条件下的 最佳操作工况和特定工况下的最优结构参数配置。 1 6 2 本文难点和创新点 本文研究所用的喷射器在进行网格划分时采用四边形非结构化网格，其优点是局部 加密比较容易，易于显示流场的变化。但是网格的疏密程度不好控制，过疏往往得到不 精确解，甚至会出现计算结果不收敛，计算错误等现象；而网格过密会大大增加计算时 间且对计算机硬件要求较高。所以此处网格的划分要经过反复的调试，此处工作量相对 较大，难度也较高。另外，在迭代计算过程中，常常会有单个网格上的压力值或温度值 溢出的现象，致使计算无法收敛，在这个过程中要不停的对库朗特数和松弛因子进行调 整，此处工作繁琐，也比较难以掌控。 从目前的一些文献资料来看，多数关于喷射器数值分析的论文局限于对某一过程的 分析，如混合过程、扩散过程等。并且基本上都是大型的喷射器，但微型射流器有着不 同的流场特性。 本文的主要创新点在于对微型喷射器进行数值计算，探寻合适的求解模型和相关的 控制参数进行数值求解，对其流场信息做出分析；对大型喷射器的工况进行研究分析， 探寻工况对喷射器性能的影响情况；对微型喷射器和大型喷射器的各个结构参数进行详 尽的分析，对其整体结构进行优化设计。 9 江南大学硕士学位论文 第二章喷射器的数值模拟过程 第二章喷射器的数值模拟过程 2 1 喷射器数值模拟过程中的两个现象 2 1 1 “中间迟钝区靠 2 1 1 1 “中间迟钝区”的概念 “中间迟钝区 是指喷射器扩压段喉径与某一确定的喷嘴进行匹配试验时出现的一 种现象。对于一个结构确定的喷嘴，在与其匹配的扩压段喉径由小变大的过程中，喷射 器的性能总的变化趋势是越来越好，达到最优性能后，然后再逐渐变坏。在其性能达到 最优前，扩压段的喉径在某一范围内变化时，喷射器的性能变化非常缓慢。该区域即称 作“中间迟钝区 。 2 1 1 2 “中间迟钝区”的分析 喷射器之所以有引射作用，是由于紊流作用引起的。这一作用越强，喷射器的引射 作用就越好，从而喷射器的性能也就越好。紊流作用强弱的决定因素，目前并未完全搞 清，但它与流场有着密切的关系。随着流场的改变，紊流作用也会随之改变。而流场则 。与流体的压差、流道情况等因素有关。在喷射器扩压段喉径与喷嘴的匹配试验中，之所 以出现了“中间迟钝区现象，就是由于流体当扩压段喉径在对应的小范围内变化时流 场几乎保持不变的结果。 2 1 1 3 研究“中间迟钝区”的意义 ( 1 ) 对喷射器的设计具有指导意义 在对扩压段喉径与喷嘴进行匹配试验时，当扩压段喉径扩放到“中间迟钝区 附近 时，不要认为喷射器的性能不见提高，就误认为是达到了最佳状态，而应继续扩放，这 之后出现的最高性能才是喷射器真正的最佳状态。 ( 2 ) 对工况调节的意义 “中间迟钝区既与尺寸大小有关，也受工作条件的影响。当实际工况偏离设计的 计算工况时，“中间迟钝区 会出现漂移现象，使得原来最佳匹配值被新的“中间迟钝 区 所覆盖。此时，“中间迟钝区 所对应的喷射器性能就是该工况下的最佳状态。不 管如何调节，原来的“中间迟钝区 的最佳性能区是不会再出现的。 2 1 2 激波现象 当流体的传播速度高于声速时，流体间会产生具有压缩作用的波，这种现象称为激 波现象。受激波影响，在未压缩流体和压缩流体之间会产生一个很薄的波阵面，波阵面 前后的压力突变，激波越强，前后压力突变性越大。对喷射器而言，通常在喷嘴出口和 扩压室入口处会有激波现象的发生。 江南大学硕上学位论文 图2 1 激波原理图 f i g 2 - 1s h o c kw a v es c h e m a t i cd i a g r a m 在图2 1 中，在点p