（船舶与海洋工程专业论文）基于cfd模拟的加气助送喷射器分析与优化.pdf

咖：c 搦蛳台妙嘲雨辈搬 ( 犁群即皋承翠g 缳趟翠茸飘明翠哿) 。学硼 冒身沿普够哲号璁鲫捶茸歌再赤章誊劲孽出翦犁群磉茸歌孽髀衅* 单髦国驹世嘉￥工酝逛荡砰藓翱趔。茸拱再杀章髂卫蕈掣哿猪士 陴鹜尉髯箪由黪由箔罾卷诩且肇狲勘染蕈群骠* 孽y 粝荤即蜱弓 驷茸锲再杀章琳诩乜嘉￥工醯迎碑藓y 覃。豳身瞠豳孽骥茸现填可 狲士印宴劫由驾驹茸歌尊蔡骅啤孽j 龆* 擘髦国刨樊禺静砰单罂杀 ：胡晕群驹茸拱再杀出翁禺静* 单秦￥工酿錾挪上孑攀y 章 锆碑群甘鹌萃拱珥毒 ：酶目_ 炒 。霉舷上当辈挺朗骢驷 毗朗上勤申茸拱翠乜辟撵堑鲥丑驹珊孵錾搬章鞑辈刨驷勤工刨一錾 与。1 ；l f 桦驷敏出卿业锋强犟再杂驷麟衅曼碑a 髯孽嘉￥工酪錾截璐 鬃号母业毋酱翠辈搬驹辩丘瓣犟辈鬻荡乜y 尉髯寻母业申茸观蟛 望孵驹鞭礁唑黎斟诩华咯姑小莓上溯蟛鲴錾留。凿翠辈搬驹龀通疆 勘工覃搬驷岜染生畚群蛳台翠y 妙錾瞽莓歌驷尊吾蟛韵草y 章 醐革羽- 晦般 褊龠 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 绞吸式挖泥船是疏浚作业中的重要工程船舶，挖泥船挖出的泥浆通过管道 运输到指定排泥区域，管道运输淤泥的难点在于排泥距离，为了延长管道运输 淤泥的距离，加气助送技术被应用到输送淤泥的管道中。加气助送技术与传统 接力泵技术相比具有结构简单，安装方便，不需要额外配置接力泵工作船与工 作人员等优点。加气助送喷射器作为加气助送技术向管道内加入气体的关键设 备其性能对提高输泥管道的输泥距离有着重要影响。 本文以加气助送喷射器为研究对象，分别对其引射介质进入喷射器方式和 喷射器自身结构参数对喷射器工作性能的影响进行了分析。论文主要内容分为 以下几点： ( 1 ) 对加气助送喷射器模拟分析所涉及的计算流体力学理论进行阐释，并结 合加气助送喷射器特点确定适用的两相流模型、湍流方程、边界条件类型等参 数。 ( 2 ) 对液态相进入加气助送喷射器方式进行讨论，分别对液体轴向流动方案 和液体螺旋流动方案进行f l u e n t 数值模拟，对液体轴向流动方案和液体螺旋 流动方案中的温度场、速度场、压力场、扩散室中气体体积的分布和喷射器的 喷射系数进行分析比较，得出液体螺旋流动方案具有扩散室出口处速度场，温 度场分布均匀，- 喷射系数高，气体分布对提高输泥管道输送效率有利的优点， 液体螺旋流动方案优于液体轴向流动方案。 ( 3 ) 以加气助送喷射器混合室等截面段长度和喷嘴到混合室入口的距离为变 量，对混合室等截面段长度分4 0 m m 、5 0 m m 、6 0 m m 、7 0 m m 、8 0 m m 、9 0 m m 、 1 0 0 m m 共7 个水平，对喷嘴到混合室入口的距离分0 m m 、5 m m 、1 0 m m 、l5 m m 、 2 0 m m 、2 5 m m 、3 0 m m 、3 5 m m 、4 0 m m 共9 个水平进行f l u e n t 模拟，对喷射 器进入混合室等截面段时工作流体和引射流体的速度差以及相应喷射系数进行 比较，得出加气助送喷射器混合室等截面段长度为7 0 m m 和喷嘴到混合室入口 的距离为1 5 m m 为优化方案。 关键词：加气助送喷射器；f l u e n t 模拟；加气助送技术；挖泥船 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u t t e rs u c t i o nd r e d g e ri sav e r yi m p o r t a n te n g i n e e r i n gs h i pi n d r e d g i n g o p e r a t i o n c u t t e rs u c t i o nd r e d g e rd r e d g e su ps u l l a g ei n t ot r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e w h i c ht r a n s p o r ts u l l a g et od e s i g n a t e da r e a t h ed i f f i c u l t yo f p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o no f s u l l a g ei st h a th o wt oe x t e n dt h ed i s c h a r g ed i s t a n c eo fp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n ，i no r d e r t oe x t e n dt h ed i s p l a c e m e n ta i re j e c t i o nt r a n s p o r t a t i o nt e c h n i q u ei sa p p l i e di np i p e l i n e c o m p a r e sw i t ht h et r a d i t i o n a lr e l a yp u m pt e c h n i q u ea i re j e c t i o nt r a n s p o r t a t i o n t e c h n i q u ep e r f o r m sw e l l ，i th a ss i m p l es t r u c t u r e ，c a nb ee a s i l yi n s t a l l e da n dw o r k w i t h o u ta d d i t i o n a lr d a yp u m ps h i pa n dc o r r e s p o n d i n gc r e w , a sak e ye q u i p m e n to f a i re j e c t i o nt r a n s p o r t a t i o nt h ec a p a b i l i t yo fa i re j e c t i o nt r a n s p o r t a t i o ne j e c t o rh a s i m p o r t a n te f f e c tt oe x t e n dt h ed i s c h a r g ed i s t a n c eo ft h ep i p e l i n et r a n s p o r t a t i o no f s u l l a g e t h ec o r ec o n t e n to ft h i sa r t i c l ei sd i s c u s s i n gt h a th o wd od i f f e r e n tm e t h o d so f t h ed r i v i n gf l u i de n t e r i n gt h ee j e c t o re f f e c tt h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo ft h ee j e c t o r , a n dh o wd o e st h es t r u c t u r eo ft h ea i re j e c t i o nt r a n s p o r t a t i o ne j e c t o ri n f l u e n c et h e e f f i c i e n c yo ft h ea i re j e c t i o nt r a n s p o r t a t i o ne j e c t o r t h ec o r ec o n t e n to ft h i sa r t i c l ei s d i v i d e di n t ot h ef o l l o wp a r t s ： 一 - ( 1 ) l l l u m i n a t et h ec o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c st h e o r i e s - r e l a t i n gt ot h ea i r 。 e j e c t i o nt r a n s p o r t a t i o ne j e c t o r ；d e t e r m i n ep a r a m e t e r ss u c ha st h et w o p h a s em o d e l ， t u r b u l e n tm o d e l ，t h ek i n d so ft h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n ds oo n ( 2 ) d i s c u s st h em a n n e r so ft h ef l u i dp h a s ee n t e r i n gt h ee j e c t o rs u c ha st h ef l u i d a x i a lf l o wa n dt h ef l u i dh e l i c a lf l o w s i m u l a t et h ef l u i da x i a lf l o wa n dt h ef l u i dh e l i c a l f l o wb yf l u e n t a n a l y z et h et e m p e r a t u r ef i e l d ，v e l o c i t yf i e l d ，p r e s s u r ef i e l da n dt h e a i rv o l u m ef r a c t i o ni nt h ed i f f u s e rc h a m b e ro ft h et w od i f f e r e n tf l u i df l o wm a n n e r s b yc o m p a r i n gw i t ht h et w om a n n e r sf i n do u tt h a tt h ev e l o c i t yf i e l do ft h ed i f f u s e r c h a m b e ra n dt e m p e r a t u r ef i e l do ft h ed i f f u s e rc h a m b e ra r ew e l lm i x e dt ot h ef l u i d h e l i c a lf l o w , i t sj e tc o e f f i c i e n ti sa tah i g h e rl e v e l ，a n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ea i r v o l u m ef r a c t i o ni sp r o p i t i o u st op r o m o t et h ee f f i c i e n c yo ft h ep i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n , a sar e s u l tt h ef l u i dh e l i c a lf l o wi saf i n ep r o j e c t ( 3 ) s e tt h el e n g t ho f t h ec o n s t a n ta r e as e g m e n to ft h ed i f f u s e rc h a m b e ro ft h ea i r u 武汉理工大学硕士学位论文 e j e c t i o nt r a n s p o r t a t i o ne j e c t o ra n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h en o z z l ea n dt h ee n h a n c eo f t h ed i f f u s e rc h a m b e ra sv a r i a b l eq u a n t i t i e s d i v i d et h el e n g l l lo ft h ec o n s t a n ta r e a s e g m e n to ft h ed i i f - u s e rc h a m b e ri n t o7l e v e l ss u c h 嬲4 0 m m 、5 0 m m 、6 0 m m 、7 0 m m 、 8 0 m m 、9 0 m m 、10 0 m ma n dd i v i d et h ed i s t a n c eb e t w e e nt h en o z z l ea n dt h ee l ：l t r r n c eo f t h ed i f f u s e rc h a m b e ri n t o9l e v e l ss u c hl l s0 m m ，5 m m ，10 m m ，15 m m ，2 0 m m ，2 5 m m ， 3 0 m m 、3 5 m m 、4 0 m m t h e ns i m u l a t ea 1 1t h el e v e l sb yf l u e n t c o m p a r et h e v e l o c i t ym a g n i t u d ea n dj e tc o e f f i c i e n to ft h ew o r k i n gf l u i d 、j l ，i mt h ev e l o c i t y m a g n i t u d ea n dj e tc o e f f i c i e n to ft h ed r i v i n gf l u i da tt h ee n t r a n c eo ft h ec o n s t a n ta r e a o fd i f f u s e rc h a m b e r b ya n a l y z i n gt h er e s u l tf i n do u tt h eo p t i m u mv a l u e so ft h e c o n s t a n ta r e as e g m e n to ft h ed i f f u s e rc h a m b e ra n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h en o z z l e a n dt h ee n t r a n c eo ft h ed i f f u s e rc h a m b e ra r e7 0 m ma n d15 m m k e yw o r d s ：a i re j e c t i o nt r a n s p o r t a t i o ne j e c t o r , f l u e n ts i m u l a t i o n ；a i re j e c t i o n t r a n s p o r t a t i o nt e c h n i q u e ；d r e d g e r 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题提出的背景l 1 2 喷射器概况2 1 2 1 喷射器的工作原理2 1 2 2 喷射器的分类3 1 2 3 喷射器研究的发展及现状5 1 3 本论文研究的主要内容和研究方法7 1 4 本章小结8 第2 章流体流动相关概念与c f d 技术9 2 1 流体流动及换热的基本控制方程9 2 1 1 物质导数9 2 1 2 质量守恒方程( 连续性方程) 9 2 1 3 动量守恒方程( n a v i e r s t o k e s 方程) 1 0 2 1 4 导热方程与能量方程1 1 2 1 5 边界层理论1 1 2 1 6 湍流模型1 2 2 2c f d 技术“h 二：“；i 1 7 2 2 1c f d 软件离散方式分类1 8 2 2 2 前处理软件g a m b i t 1 9 2 3f l u e n t 软件介绍2 0 2 3 1f l u e n t 求解策略2 2 2 3 2f l u e n t 的边界条件2 3 2 4 本章小结2 4 第3 章加气助送喷射器几何模型前处理2 6 3 1 加气助送试验台介绍2 6 3 2 加气助送输送喷射器结构2 7 3 3 加气助送喷射器g a m b i t 前处理2 8 3 3 1 加气助送喷射器网格划分2 9 3 3 2 加气助送喷射器网格质量的评估3 2 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 3 加气助送喷射器边界条件3 4 3 4 本章小结3 5 第4 章f l u e n t 模拟分析3 6 4 1 加气助送喷射器模拟设计3 6 4 1 1 液体轴向流动方案模拟3 7 4 1 2 液体螺旋流动方案模拟3 9 4 2 加压助送喷射器结构参数对喷射器性能的影响4 1 4 2 1 混合室等截面段长度对加气助送喷射器性能的影响4 1 4 2 2 喷嘴位置对加气助送喷射器性能的影响4 6 4 3 本章小结4 8 第5 章总结与展望5 0 5 1 总结5 0 5 2 展望5 1 参考文献5 2 致谢5 5 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题提出的背景 第1 章绪论 我国河系发达，这对水路运输提供了良好的条件，使得水路运输能够辐射 到广阔的区域；水路运输相对于陆路运输和航空运输在成本上有着与生俱来的 优势从而使它在现代物流运输中占有一席之地。河道相当于水路运输业的血管， 它的作用和重要性得到凸显；与此同时河道也具有防洪、灌溉的重要作用；因 此河道的疏浚维护工作就显得至关重要，而挖泥船作为清淤疏浚的主要工程船 舶，其作用得到彰显。挖泥船是一种常用的工程作业船舶，它能够实现挖掘淤 泥和连续输送淤泥；挖泥船的作用不局限于清淤，它也可应用于兴修农田、取 土固堤、修建港口码头等。挖泥船在输送泥浆时主要是通过管道进行，管道输 送的优势在于：连续运输效率高、运输管道属于相对封闭环境外界环境对其影 响小、管道运输对外界环境影响小等；另一方面挖泥船的管道输泥存在着他自 身的缺点：当输送距离过长或泵出口压力不够时，管道中较大块的泥块因重力 作用会沉降到管道底部使得管道变狭窄加大了泥浆在管道中流动的阻力；在管 道内泥浆特性不变的情况下为了增加管道内泥浆输送距离常规方法是加入中间 接力泵站，每间隔一段距离就通过接力泵来提高管道内泥浆的压力，以减少泥 块的沉降，。但中间接力泵站的加入必然会额外增加作业船舶和相应的工作人员 从而提高运输成本。随着管道输送技术的发展和对多相流管道输送特性的研究， 通过向输泥管道中加入具有一定压力的气液混合流体，以混合流体搅动管道内 的泥浆并弥补排泥距离增加带来的管道压力损失的技术即加气助送技术得到应 用；该技术就是通过向输泥管道中加入一定压力的水和空气；输泥管道中的固 液两相流体在气体掺入后，使得浆体中的密实块状结构得到破坏，气体形成气 泡后破裂成更小的气泡，这些小气泡存在于浆体与壁面、层与层、颗粒与颗粒 之间，浆体内的粘度和内摩擦阻力得到降低，同时浆体与管道壁的切应力也变 小从而降低输送淤泥能耗，延长挖泥船管道输送淤泥的距离。加气助送技术中 气体和液体是通过加气助送喷射器注入到输送泥浆的管道中的，因加气助送喷 射器结构简单，可以方便的安装于输送淤泥的管道上，并可以在管道转角处安 装，与接力泵站相比具有很高的灵活性。加气助送喷射器的工作情况对延长管 武汉理工大学硕士学位论文 道内排泥距离有着直接影响，因此加气助送喷射器的研究对挖泥船管道输送淤 泥效率的提高有着实际应用价值。 1 2 喷射器概况 喷射器的根本特点是在不直接消耗机械能的前提下提高流体的压力，因此 喷射器比其他机械增压设备简单可靠；另一方面，喷射器系统结构简单从而其 生产制造也不复杂，这进一步拓宽了喷射器的应用范围。目前喷射器广泛应用 于轻工纺织、动力、工业热工、石油化工、建筑、冶金、制冷和农业等技术领 域；在真空蒸馏、真空干燥、真空结晶、真空脱臭、真空蒸发等特殊的生产工 艺上也得到广泛使用。 1 2 1 喷射器的工作原理 两股具有不同压力和速度的流体在某种装置中相互混合进行能量交换，最 后形成一股具有一定压力的混合流体，这种装置就是喷射器。 工作介质流叫做工作流体；工作流体以很高的速度通过喷嘴进入喷射器的 接受室，并通过在喷嘴附近形成一个低压区把位于喷嘴附近的介质吸走；被吸 走的流体叫做引射流体。在喷射器中能量的传递过程如下：一般先是工作流体 的热能或势能转变为动能；工作流体的动能一部分传给引射流体；在混合室中 混合后的流体的速度逐渐趋于一致，混合流体的动能此时转变为势能或热能。 喷射器原理图如下图1 1 所示。 】 图1 1 喷射器简图 a 工作喷嘴b 接受室c 混合室d 扩散室 2 武汉理工大学硕士学位论文 工作介质流体和引射介质流体在混合室中进行混合同时速度也渐渐趋向均 衡，一般还伴随着流体压力的升高；混合后的流体从混合室出来后进入扩散室， 压力继续升高，最后在扩散室出口处混合流体的压力高于进入接受室时引射流 体的压力，从而实现了提高引射流体的压力这一目的。 1 2 2 喷射器的分类 目前，还没有形成一个通用的喷射器分类法；一般按照工作流体的性质来 划分，工作流体是液体和气体的分别称为射流泵和喷射器；本文所研究的对象 即为喷射器中的一种。 描述喷射器特有过程，可用以下三个定律来描述： 1 ) 能量守恒定律 f p + “= ( 1 + “) 之 ( 1 1 ) 式中f p 一喷射器前工作流体的焓，k j k g ： 0 - 喷射器前引射流体的焓，k j k g ； 之喷射器之后混合流体的焓，k j k g ； ”= g ，：，g 。一喷射系数即引射流体的质量流量与工作流体的质量流量的比值。 2 ) 质量守恒定律 g c = g 口+ ( 1 2 ) 式中g 。一工作流体的质量流量，k g s ： g 0 - 引射流体的质量流量，k g s ； g ，混合流体的质量流量，k g s 3 ) 动量定理 丘 g p l + q l 一( q + q ) q = p 3 f 3 + j 硝一( 砟。+ 鳓l 厶i ) ( 1 3 ) 式中国n i - 混合室入口截面上工作流体的速度，m s ； 缈。在混合室入口截面上引射流体的速度，m s ； 皱在混合室出1 3 截面上混合流体的速度，m s ； p ，在混合室入1 3 截面上工作流体的静压力，n m 2 ； p 在混合室入1 3 截面上引射流体的静压力，n m 2 ； 阢在混合室出1 3 截面上混合流体的静压力，n m 2 ； 厶进入混合室时工作流体的截面积，m 2 ； 3 武汉理工大学硕士学位论文 厶进入混合室时引射流体的截面积，m 2 ； 工在混合室出口处混合流体的截面积，m 2 ； 丘 ip a y 在1 1 和3 3 截面之间作用于混合室壁面上力的冲量积分。 ， 喷射器中所发生的过程根据喷射器内工作流体与引射流体相互作用的性质 和条件决定，因此可以把喷射器分成如下三类： 1 ) 工作介质与引射介质相态相同的喷射器； 2 ) i 作介质与引射介质分别有着不同的相态，它们在混合过程中相态也不 发生改变的喷射器； 3 ) 介质的相态发生改变的喷射器，即混合后其中一种介质相态发生改变的 喷射器。 喷射器内相互作用的介质的弹性特性对喷射器的工作情况也有着很大影 响。介质的弹性特性或压缩性是指介质的比容随着压力的改变而大大改变的特 性，实际运用中的喷射器有如下三类： 1 ) i 作介质和引射介质都是弹性的； 2 ) i 作介质和引射介质其中有一种是弹性的； 3 ) i 作介质和引射介质两种都是非弹性的。 工作介质的膨胀比和引射介质的压缩比对同相弹性介质喷射器的工作情况 有很大影响，为了简明起见，这里把压力比陴p 叫做压缩比( 最终压缩压力与 开始压力之比) 。同相弹性介质喷射器根据压缩比和膨胀比的大小可分为如下类 型： 1 ) 大膨胀比和中等压缩比的喷射器；这类喷射器能建立的压缩比一般维持 在2 5 - 1 2 的范围内。该喷射器用来提高废气压力和提高高管网中的气体压力。 2 ) 大膨胀比和大压缩比喷射器；这类喷射器的压缩比通常大于等于2 5 该喷 射器通常用于要求保持很高真空的装置上。 3 ) 大膨胀比和小压缩比喷射器；这类喷射器压缩比一般小于等于1 2 该类型 喷射器有锅炉装置的燃烧设备上的蒸汽空气吹风喷射器、气体喷燃器、空气吹 洗喷射器等。 对于异相喷射器，根据其相互作用介质的不同弹性特性可分为如下三类： 1 ) 非弹性引射介质和弹性工作介质的喷射器；如气力输送喷射器。 2 ) 弹性引射介质和非弹性工作介质的喷射器；如水空气引射器。 3 ) i 作介质和引射介质都是非弹性的喷射器；如水力输送散粒状固体的喷 4 武汉理工大学硕士学位论文 射器。 综合上述喷射器的种类整理出表1 1 。 表1 1 喷射器分类 本文的研究对象加气助送喷射器工作介质是空气，引射介质是水，属于弹 性工作介质非弹性引射介质一类，为气力输送喷射器。加气助送喷射器主要功 能有两方面：一方面它通过最后的混合流体向输送淤泥管道内传递压力以弥补 随着输送淤泥距离的提高输送淤泥管道内压力的损失以提高输送淤泥效率；另 一方面在加气助送喷射器中水和空气进行了混合，气液两相流混合后进入输送 淤泥管道，气泡在管道中浮动破裂形成很多微小气泡起到了一定的润滑作用， 降低了泥浆与管道内壁的摩擦同时提高了泥浆的流动性。 1 2 3 喷射器研究的发展及现状 喷射器诞生于1 0 0 多年前的十九世纪初期，由于没有相应的理论支撑，当 时的喷射器往往只能针对特定用途的型号通过试验结果来指导喷射器设计。随 着基础科学的发展，喷射器理论有了长足进步。k e e n a nj h 和n e u m n ne p 提出 了定常面积混合理论和等压混合理论；定常面积混合理论假定工作流体和引射 流体的混合是在截面积不发生改变情况下完成的，混合理论假设工作流体和引 射流体的混合为近似的等压过程；k e e - n a nj h 和n e u m n ne p 根据他们的理论进 5 武汉理工大学硕士学位论文 行了喷射器的一维求解【嵋】。c o f f j a 和c o o g a nc h 使用自由平面射流理论分析 工作流体和引射流体的混合过程实现了二维流动模型的求解【3 】。苏联学者索科洛 夫和津格尔全面系统的阐述了计算喷射器的理论和方法；结合不同类型喷射器 特点推导出了适用于各主要类型喷射器的计算公式；弗通过大量的实验结果分 析说明他们所推导出的计算公式以及在计算公式中所用到的实验系数的正确性 【4 】。童咏春和陆宏圻通过水力学基本知识和射流理论推导出了液体喷射器的无因 次性能方程【5 】。1 9 7 7 年m u n d a yj h o nt 和b a g s t e rd a v i de 阐释了喷射器用在制冷 领域的原理并从另一方面验证了定常面积混合理论【6 1 。1 9 8 1 年郭金基以模型试 验的方式对亚音速气体喷射器进行了研究；构建出了自由射流速度函数；通过 理论分析对自由射流的长度以及混合室压力值进行计算；考察喷射器特征尺寸 在不同气源条件下对性能的影响；给出了喷射器几何尺寸的近似计算方法 7 1 。 实际工况中，流体在喷射器中因为压缩、膨胀和混合而发生相的改变。s h e r i f s a 等人在等压混合理论的基础上构建了两相流模型；以两相混合物为工作流 体，引入含气率来考察气液两相的相互作用，引射流体是过冷或者饱和液体， 使用伯努利方程求解引射流体的流动速度；这种模型可以用来预测喷射器轴线 方向各热力参数的变化情况；研究表明：工作流体的压力越高，对应的压缩比 越大，抽吸率的增幅却逐渐趋缓【8 】。c i z u n g u 等人以状态参数焓的变化为切入点， 构建了预测喷射器抽吸率的理论模型，与此同时考虑压缩效率和膨胀效率对抽 吸率的影响；该理论分析模型适用于单相流和两相流喷射器性能预测；该模型 用于分析抽吸率与喷射器相关几何结构之问的关系；并在实验中对理论分析进 行了对比验证例。 虽然热力学分析方法的发展对全面了解流体在喷射器中的流动有很大贡 献，但该方法却难以精确地预测喷射器中的局部流动现象；为了更精准、更可 靠地设计喷射器选择合适的工作流体和最佳工作参数，对喷射器内局部的混合 边界层与激波的交互作用及其对混合压缩的影响的了解就必不可少。近年来随 着计算机技术的高速发展与普及，各种工程求解软件被开发出来这其中就有流 体动力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 分析软件，f l u e n t 就是c f d 软 件中被广泛使用的一种，c f d 分析软件的出现为喷射器理论研究提供了更加便 捷的方法。通过f l u e n t 的数值模拟能够实现对喷射器内的流动过程和影响因 素有更清晰的了解；还能揭示一些一维理论无法解决和难以测量到的现象，弥 补了理论方法和实验方法的不足。喷射器中流体在被压缩的同时还存在着壅塞、 激波、混合边界层与激波交互作用等复杂的物理现象，所以选择合适的湍流方 6 武汉理工大学硕士学位论文 程对分析结果的准确性而言非常重要；b a r t o s i e w i c zy 等人【l o 】分别采用k 一占、 r n gk 一占、r e a l i z a b l ek 一占、s s tk s 和r s m 湍流方程来分析空气在喷射器 内的流动情况；k s 、s s tk 一占和r n gk s 湍流模型因假设流体各向同性， 可以较快的得到收敛结果，其预测准确性较高；雷诺应力模型( r s m ) 预测的精度 更高但是求解该模型需要占用较大的内存和更多的c p u 时间；在选用模型时综 合考虑r n gk 一占和s s tk g 模型在预测喷射器中的湍流强度、激波和平均压 力变化等方面能够提供较合理的结果，所以r n gk s 湍流模型使用较多。对 于两相多采用欧拉模型和混合物模型。姚云等人【l l 】使用f l u e n t 对喷射器内在 不同流体进入方式下流体的混合特征进行了模拟，结果说明在喷嘴处流体速度 相同时，气体进入方式的不同对喷射器压力降和喷射系数有一定的影响。郭建 等人【1 2 】构建了等马赫数梯度设计方法，该方法通过改变喷射器的壁面结构使流 体均匀的通过喷射器，减小速度的变化和避免激波的产生，从而实现喷射器工 作效率的提高；c f d 数值模拟表明采用等马赫数梯度设计的扩散器入口并没有 激波产生，喷射器系数得到了提高。祝金丹等人( 13 1 采用f l u e n t 对不同引射流 体压力和混合流体压力下，普通喷嘴和整流喷嘴各自的工作性能进行数值模拟； 模拟结果表明，在同样的条件下，当混合流体压力改变时，普通喷嘴工作流体 在喷嘴出口处呈扩散状态，整流喷嘴的流体流动很稳定，能量损失很小，喷射 系数比普通喷嘴提高近3 0 ；但是随着引射流体压力的增加，两种喷嘴的喷射 系数数值差值逐渐减小。陈亮等【1 4 】对压缩喷射制冷系统中两相流喷射器内地射 流进行了研究，分别对喷射器内部射流的流动方向分段对射流混合、射流压力 调整过程、扩压过程和均匀过程进行建模分析，得到喷射器的出口背压和引射 比随压缩喷射制冷循环中的冷凝温度增大而增大，且蒸发温度存在一个最佳值 满足出口被压增大效果好，引射比最大。 1 3 本论文研究的主要内容和研究方法 本文以加气助送喷射器为研究对象，在计算流体力学的理论支持下，以计 算流体力学软件f l u e n t 为工具对加气助送喷射器在工况下运转时的速度场、 温度场、压力场进行了计算，得到了其气体和液体速度场分布图、温度场分布 图、压力场分布图。 ( 1 ) 研究的主要内容： 1 ) 对加气助送喷射器液相进入喷射器的方式分液体轴向流动方案与液体螺 7 武汉理工大学硕士学位论文 旋流动进行模拟，分析模拟结果选择优良方案。 2 ) 对混合室等截面段长度分4 0 m m ，5 0 m m ，6 0 m m ，7 0 m m ，8 0 m m ，9 0 m m ， 10 0 m m 共7 个水平分别进行f l u e n t 模拟计算，通过对模拟结果比较分析选择 出优化方案。 3 ) 对喷嘴相对混合室入口位置分0 m m 、5 m m 、10 m m 、l5 m m 、2 0 m m 、2 5 m m 、 3 0 m m 、3 5 m m 、4 0 m m 共9 个水平分别进行f l u e n t 模拟计算，比较分析模拟 结果选择出较佳喷嘴相对混合室入口位置。 ( 2 ) 研究方法： 1 ) 构建加气喷射器的几何模型。在a u t oc a d 中建立加气助送喷射器二维模 型。 2 ) 加气助送喷射器几何模型的网格划分与边界指定。将a u t oc a d 中几何模 型导入g a m b i t 中，调整相关参数划分出质量良好的四边形网格，结合相关要 求对喷射器入口边界进行边界类型指定，生成使用于f l u e n t 的网格文件。 3 ) 在f l u e n t 中对加气助送喷射器工作状况进行模拟。将g a m b i t 中网格 文件导入f l u e n t 中，结合加气助送喷射器实际工作情况，在f l u e n t 中选择 相应计算模型和工作环境并设置相应边界条件等参数，通过收敛的迭代计算得 到加气助送喷射器的模拟结果。 4 ) 研究喷射器结构参数对喷射器性能的影响。对相关喷射器结构参数进行不 同水平设置然后重复步骤1 3 对不同水平结果进行分析，提出加气助送喷射器的 优化工作参数。 1 4 本章小结 本章就该课题提出的背景进行了阐述，指出了研究的意义与价值；分别介 绍了喷射器的工作原理、喷射器的分类、喷射器研究的发展及现状；指出了本 论文研究的主要内容和研究方法。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章流体流动相关概念与c f d 技术 加气助送喷射器中工作流体与引射流体的流动涉及流体力学中的相关内 容，如质量守恒方程、动量守恒方程、导热方程、能量方程、边界层理论等， 对加气助送喷射器研究中所涉及的重要流体理论进行如下介绍。 2 1 流体流动及换热的基本控制方程 流体流动受到物理守恒定律的约束，即流动要满足质量守恒定律、动量守 恒定律、能量守恒定律。 2 1 1 物质导数 流体流动中的物理量被认作是空间和时间的函数： t = t ( x ，y ，z ，f ) p = p ( x ，y ，z ，f ) ，= v ( x ，y ，z ，f ) 考察各物理量对时间的变化率，如速度分量u 对时间t 的变化率： d uo uo ud r 锄d yo ud z锄抛o u锄 一= 十一十一十= 十u 一十v 一十w d ta l瓠d t 卸d t a zd t 8 t a ) c a y a z 式中u 、v 、w 分别表示速度沿x 、y 、z 方向的速度矢量。 从而推导出任意物理量n 对时间t 的变化率： d n8 n8 na na n = + u + ，+ w d t8 t瓠 卸 兢 上式即为任意物理量n 的物质导数，也称质点导数。 2 1 2 质量守恒方程( 连续性方程) ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 流体流动亦满足质量守恒定律( 连续性方程) ，即在流场中任取一个封闭区 域，该区域为控制体，其表面为控制面，单位时间内从控制面流进和流出控制 体的流体质量之差等于单位时间内该控制体质量的增量，其积分表达式如下： 昙驴蝴+ 丐删= 。 弘6 ， 式中v o l 表示控制体；a 表示控制面。 9 亟堡里三奎堂堡圭堂垡堡塞 一一 上式的直角坐标系微分形式如下： 望+ 皇逊+ 曼盟+ o ( p w ) ；0 ( 2 7 ) 一+ 。_ - - 一十- 一t 一 、一， 西叙 砂 昆 对于可压缩流体或不可压缩流体，黏性流体或无黏性流体，定常或非定常 流动都可适用上述连续性方程。 对于定常流动，密度p 不随时间变化而变化，上式变为： 旦逊4 - 旦盟+ o ( p w ) ：0 ( 2 8 ) a x 却 貌 对于定常不可压缩流动，密度p 为常数，连续性方程改写为： 丝+ 生+ 坐：0 ( 2 9 ) 一+ 一+ 一= 、一7 ， 2 1 3 动量守恒方程( n a v i e r - s t o k e s 方程) 动量守恒方程也是流体流动必须满足的基本定律，定义如卜：仕1 日j 弪利傲 元中流体动量对时间的变化率等于外界作用在微元上各种力之和，表达式如下： 矗= 吒生d t ( 2 - 1 0 ) 南流体的黏性方程得到直角坐标系下的动量守恒方程，即n s 方程： p 豢：以一罢+ 昙c 瓦o u ，+ 虿0t 石。盘u j 十夏0w 考，+ 昙呼c 罢+ 考+ 老，q - l l ， 。p 老：码考+ 昙c 参+ 参c 旁+ 昙c 老，一+ 导呼c 瓦a u + 万o v + 西o w ，q - 1 2 ， 尸面d w ：肛一警+ 昙c 罢，+ 昙t 爹+ 鲁c + 昙呼毫+ 考+ - 挑g 小2 - 1 3 ， 尸( o a u + o 爵u + v - 彻d + w = 以一警+ ( 孬0 2 u + 矿0 2 u + 窘) ( 2 “) p c 害+ “塞+ v 考+ w 笔) = 一一考+ c 雾+ 斋十0 2 v v - p g - g r ， ( 2 。5 ) p 瓦枷瓦+ v 瓦+ w 西j 2 一万十纵丽十矿卞 7卜“7 p c 警+ “芸+ v 考+ w 警，= 肛一老+ c 害+ 害+ 可0 2 1 4 , ，t 2 。d 塑d t = 詈+ ”豢+ v 考+ w 暑= e 一去 ( 2 1 7 ) 一= 一十”一十1 ，十w _ = r 一= 、， a 苏 砂 抛 肚 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 鲁= 謇+ 甜+ v 舅+ w 笔= 一去 c 2 ，8 ，一= 一十甜一十v 一十w 一= ，。一二 z j 萏， 出氆 a ) c 卸 a z y 鳓 、。 瓦d w = 警+ “罢+ v 考+ w 老= z 一去 c 2 棚， 一= 一十“一+ ，一十w 一= ，一二 l z - l y d ta t瓠 卸a z |1 d a z 、。 n s 方程有3 个等式和连续性方程联立共4 个方程，有4 个未知数u 、，、 w 和p ，该方程组是封闭的，在适当的边界条件和初始条件下可以求解。由于 n s 方程存在非线性项，只有在边界条件比较简单时，才能求得解析解。 2 1 4 导热方程与能量方程 导热方程即描述固体内部温度分布的控制方程，直角坐标系下三维非稳态 导热微分方程一般形式是： 胪i a t ：昙( a 刍+ 昙( 五刍+ 昙( 五刍+ ( 2 - 2 0 ) d f识蹴 钟卵 c ! z宓 式中，t 、p 、c 、和r 分别是微元体的温度、密度、比热容、单位时间 单位体积的内热源生成热和时间；五为导热系数。无内热源且稳态时，如果将导 热系数看作常数，上式简化为拉普拉斯( l a p l a c e ) 方程： 石0 2 t + 鲁+ 鲁：0 ( 2 - 2 1 ) 22 u 蕊 u yu y 求解对流换热的能量方程为： 妾+ 嗉+ v 考十w 瓦s t = 口丽s 2 t + 等+ 矿s e t 2 2 一) i 一十材。i + v i 十w i = 口否+ j 了+ 石 【2 d f出鲫院识。卯。宓 式中，口= 名以称为热扩散率，“、趴w 为流体速度的分量，对于固体 介质“= ，：w ：0 ，此时匕式即为固体内部温度场的导热方程。 2 1 5 边界层理论 黏性较小的流体绕流通过物体时，黏性的作用仅限于贴近物体表面的薄层 内，而在该薄层之外黏性的影响可以忽略。在该薄层内，在固体壁面流体速度 为零，在固体法线方向速度逐渐增大最后等于外流速度，包含这一速度梯度区 的薄层，普朗特把它称为边界层。边界层厚度万表示：如果虼表示外部无黏流 速度，则把各个截面上速度达到圪= o 9 9 r o 或圪= 0 9 9 5 圪值的所有的点定义为 边界层外边界，外边界到物面的垂直距离定义为边界层厚度。 武汉理工大学硕士学位论文 在大雷诺数和边界层非常薄的前提下普朗特对黏性流体运动方程做出了简 化，得到了普朗特边界层微分方程。依据附面层的特点对黏性流动的基本方程 进行数量级估计，然后忽略掉数量级较小的量，从而实现在一定精度情况下使 方程得到简化，得出适用于附面层的基本方程。 层流附面层方程 丝+ 堡：o ( 2 2 3 ) 绌 砂 圪等+ 巧等= 一吉罢+ y 孑 c 2 一o p ：0