（热能工程专业论文）新型冲淋两用节水喷射器的设计与实验研究.pdf

重庆大学硕十学位论文中文摘要 摘要 在环卫工作中为了提高水的使用效率，同时实现高效冲洗和雾化喷淋两种用 途，本课题对新型喷洒两用节水喷射器进行了设计。新型喷洒两用节水喷射器由 气液两相节水喷枪和雾化喷嘴通过三通阀组合而成设计，本文采用模拟计算和实 验两种方法对新型喷洒两用节水喷射器的结构及性能进行了研究。 首先分析了结构参数对新型喷洒两用节水喷射器工作性能的影响。由于节水 喷枪内两相流体的容积含气率是工作性能的主要影响因素，因此本文通过模拟和 实验主要分析了在不同的喷嘴出口直径、喉嘴距、混合管直径和长度等参数下容 积含气率的变化趋势。另外，分析了不同喷口直径及旋流片内径下雾化喷嘴流量、 雾化锥角、雾化喷距、雾粒大小及均匀度的变化规律。根据节水喷枪和雾化喷嘴 最佳的工作效率下对应的结构尺寸，对它们进行了结构优化，选出了一组最佳的 结构设计方案；然后分析了不同工作参数下节水喷枪和雾化喷嘴工作性能的变化 趋势，从而分析得出了它们的最佳工作参数；最后将结构优化的节水喷枪和普通 喷枪在最佳的工作参数下进行实验，分析节水喷枪的除污和节水效率。本文对节 水喷枪和雾化喷嘴的主要研究结果如下： 1 ) 通过模拟和实验结果分析，结构参数和工作参数对新型喷洒两用节水喷射 器的工作性能影响很大。 2 ) 在一定工况下，节水喷枪存在一个最优的结构参数对应于最佳的容积含气 率，从而两相流体的音速最小，使激波效应和空化效应在冲洗表面能更好的发挥 作用，达到最佳的冲洗效果；雾化喷嘴同样存在一个最优的结构尺寸，从而使雾 化效果达到最佳。 3 ) 当工作压力逐渐增大时，节水喷枪的容积含气率平缓上升最终趋于一个恒 定值。在结构参数不变的情况下，存在一个最佳的工作压力，使节水喷枪达到最 佳的冲洗效果，雾化喷嘴达到最佳的雾化效果。 4 ) 实验表明，相同工况下节水喷枪比普通喷枪除污效果好，除污效率高，具 有很好的节水节能效果。 5 ) 实验数据与模拟数据之间的误差较小，得到的参数变化趋势也基本吻合， 从而说明通过模拟分析是可行的，模拟得到的一些流体内部参数是可靠的。 关键词：气液两相流，节水喷枪，雾化喷嘴，激波，空化 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r t h en e wf l u s h i n g & a t o m i z i n gd u a l u s ew a t e r - s a v i n ge j e c t o rh a v e b e e nd e s i g n e di no r d e rt oi m p r o v ew a t e rh u ee f f i c i e n c y ，a n ds i m u l t a n e o u s l yp u t h i g h e f f i c i e n c yf l u s h i n ga n da t o m i z i n gs p r a ys t l 他a r l li nu s ei ne n v i r o n m e n t a ls a n i t a t i o n f i e l d t h en e w f l u s h i n g & a t o m i z i n gd u a l h u ew a t e r - s a v i n ge j e c t o ri sc o n s t i t u t e d 诵m g a s l i q u i dt w o - p h a s ew a t e r - s a v i n gs p r a y g u na n ds p r a yn o z z l et h r o u g hat - v a l v e t h i s p a p e ru s e dt h es i m u l a t o rc a c u l a t i o na n de x p e r i m e n t st os t u d yt h e s t r u c t u r ea n dt h e p e r f o r m a n c eo ft h en e wf l u s h i n g & a t o m i z i n gd u a l h u ew a t e r - s a v i n ge j e c t o r f i r s to fa l l ，s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e da b o u tt h ei t si n f l u e n c eo nt h e w o r k i n gp e r f o r m a n c eo ft h en e wf l u s h i n g & a t o m i z i n gd u a l h u ew a t e r - s a v i n ge j e c t o r f o rt h ev o i df r a c t i o no ft h et w o p h a s ef l o wi nw a t e r - s a v i n gs p r a y g u ni st h em a i nf a c t o r o fw o r k i n gp e r f o r m a n c e ，s ot h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e dt h ec h a n g et e n d e n c yo fv o i d f r a c t i o ni nd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，s u c ha st h en o z z l ee x i td i a m e t e r , t h el e n g t hb e t w e e n p i p ea n dn o z z l e ，t h ed i a m e t e r & l e n g t ho ft h em i x i n gt u b ea n ds oo n ，a n df u r t h e rm o r e a n a l y z e dt h ec h a n g i n gr u l eo fa e r o s o lf l o w ，a t o m i z a t i o nc o n ea n g l e ，a t o m i z e ds p r a y d i s t a n c e ，f o gp a r t i c l es i z ea n du n i f o r m i t yi nd i f f e r e n ta t o m i z e rd i a m e t e ra n di n s i d e d i a m e t e ro fe d d yp i e c e t h i sp a p e ra l s oo p t i m i z e si t ss t r u c t u r ea n dd e s i g n so u tap e r f e c t d e s i g np l a na c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r es i z eo ft h ew a t e r s a v i n gs p r a y g u na n ds p r a y n o z z l eu n d e rt h eb e s tw o r k i n ge f f i c i e n c y ；a n dt h e na n a l y z e dt h ec h a n g i n gt e n d e n c yo f t h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo ft h ew a t e r - s a v i n gs p r a y g u na n ds p r a yn o z z l ei nd i f f e r e n t o p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，t h u so b t a i n e dt h e i rb e s to p e m t i o n a lp a r a m e t e r ；f i n a l l y ，t h i sp a p e r c o m p a r e dt h es t r u c t u r a lo p t i m i z e dw a t e r - s a v i n gs p r a y g u na n dt h eo r d i n a r ys p r a y g u n u n d e rt h eb e s to p e r a t i o n a lp a r a m e t e r st h r o u g he x p e f i m e n m ，a n dt h e na n a l y z e dt h e d e c o n t a m i n a t i o nc a p a b i l i t ya n dw a t e r - s a v i n ge f f i c i e n c yo ft h ef o r m e r i nt h i sp a p e r , t h e m a i nf i n d i n g sa b o u ts t u d y i n gt h ew a t e r - s a v i n gs p r a y g u na n ds p r a yn o z z l ea r ea s f o l l o w s ： 1 ) t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e ra n dt h eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e rh a v eg r e a ti n f l u e n c eo n t h et h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo ft h en e wf l u s h i n g & a t o m i z i n gd u a l h u ew a t e r s a v i n g e j e c t o r ，a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta n a l y s i s 2 ) i nc e r t a i no p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h e r ei s ao p t i m a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r so f w a t e r - s a v i n gs p r a y g u nc o r r e s p o n d i n gt ot h eb e s tv o i df r a c t i o n ，t h u st h es p e e d so fs o u n d o ff l u i di no p p o s i t ed i r e c t i o na r es m a l l e s t , s ot h a tt h es h o c k w a v ee f f e c ta n dt h e h c a v i 枷o ne f i e c tc a l lf u n c t i o nb e t t e ro nt h ew a s h i n gs u r f a c ea n dg e tt h eb e s tf l u s g e f f e c t s i m i l a r l y ，t h es p r a yn o z z l ea l s oh a sa l lo p t i m a ls t n j c t u r es i z e ，w h i c ha c m e v e st h e b e s ta t o m i z a t i o ne f f e c t 孙w h e nt h e w o r k i n gp r e s s u r ei n c r e a s e s g r a d u a l l y ，t h ev o i df h c t i o no f w a t e r - s a v i n gs p r a y g u nr i s e se v e n l yt oac o n s t a n tn u m b e r g i v e nt h e i i l v a r i a b l e p a r a m e t e r , t h e r ei sa no p t i m a lw o r k i n gp r e s s u r ew h i c he n a b l e st h e w a l e r - 鬣l v i i l g s p r a y g u nt oa c h i e v et h eb e s tf l u s h i n ge 行b c t ，a n dt h es p r a yn o z z l et h eb e s ta t i d m i z a t i o n e 虢e t 哪e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a tw a t e r - s a v i n gs p r a y g u nh a sb e t t e rd e c o n t a m i n a t i o n c a p a b i l i t y ，h i g h e re f f i c i e n c ya n db e t t e rw a t e r & e n e r g ys a v i n ge f f e c tt h a nt h eo r d i 彻n r s p r a y g u ni nt h es 锄ec o n d i t i o n s 5 ) t h el e s st h ee r r o rb e t w e e ne x p e r i m e n t a ld a t aa n da n a l o gd a 饥t h em o r e c o n s l s t e n tt h e p a r a m e t e rv a r i a t i o nt e n d e n c y ，w h i c hi l l u s t r a t e st h a tt h es h u l a t i o n a n a l y s i si sf e a s i b l e ，t h u st h ei n t e r n a lp a r a m e t e ri n f o r m a t i o no b t a i n e di sr e l i a b l e k 唧o r d s ：g a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o w , w a t e r - s a v i n gs p r a y g u n ，s p r a yn o z z l e ，s h o c k w a v e ，c a v i t a t i o n i 重庆大学硕士学位论文 主要符号表 主要符号表 音速，r i d s 喷嘴直径，m m 雾化喷口直径，m m 吸气口直径，m m 旋流片内径，m m 雾滴直径，m m 混合管直径，m m 为气泡直径，m m 旋流室的直径，m m 面积比 雾化喷口的截面积，m 2 雾化射程，所 雾化喷口长度，m m 混合管长度，m m 喉嘴距，m m 工作压力，此p 口 喷嘴入口压力，p a 喷嘴出口压力，几 空气体积流量，坍 水的体积流量，研 雾化流量，k g s 雾化喷嘴的单孔流量，k g s 时间，s v i 速度，r i d s 喷嘴出口流速，r r d s 吸气口内空气速度，r i d s 雾滴速度，m s 节水喷枪出口流速，r i d s 节水喷枪内水的速度，r i d s 节水喷枪内空气的速度，r i d s 水的折算速度，r i d s 空气的折算速度，m s 体积分数 吸气室锥角，4 质量含气率 任一物理量 气相比热比 流量系数 为湍流粘性系数，p a s 水的密度，船锄3 雾化锥角，。 容积含气率 比容，m k g 扩散系数 源项 特征矩阵 甜 v圪圪k口x 缈r 鸬p 秒 盯 d r 口d哝吃t丸d功q厂f三厶厶厶p a魏鲰级r 学位论文独创性声明 本人声明所 呈 交的亟 士 学位论文 蠡塾：溢函亟墼建翁鐾鱼! 墅暨量垂麴融是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：苏族功 签字日期：矽。只j 导师签名：签字日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人i 艳殛士学位论文錾要摹2 鬓翼型掣提 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：导师签名： 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书! 陋装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 在现代都市的公共场所，人们需要一个清洁怡人的环境，因此路面需要每天 进行清洁，美化环境的绿化植被和人工培育的花盆需要经常洒水。但是据调查发 现，很多公园、小区或商业广场等公共场所环卫工人一般使用普通水枪对地面进 行冲洗清洁，直接拿着水管对草坪、绿化灌木或商业广场上摆放的花盆带进行浇 灌。 目前我国及至全世界都面临着严重的水资源匮乏问题，因此如何节约用水和 提高水资源的利用效率一直是人们热议的课题。在此背景下，本课题开展了对新 型冲淋两用节水喷射器的研究，比传统设备不仅性能得到极大提升，而且具有较 高的节水效率，非常具有实用价值。新型冲淋两用节水喷射器由一个三通阀将节 水喷枪和雾化喷嘴组合而成，具有高效冲洗和雾化喷淋两种功能。 普通水枪大都只用一个喷嘴缩小水出口截面来提高其流速，仅靠水射流的连 续冲击进行冲洗，其冲洗效果较差冲洗效率低下，比较浪费水源。对此，本课题 设计了一适用于较低工作压力条件下的气水两相节水喷枪( 以下简称节水喷枪) ， 它以日常生活的自来水为工作流体，直接采用市政管网提供的压力工作。通过收 缩喷嘴在吸气室内形成射流，卷吸周围空气最终在混合管内形成泡状流。由于泡 状流中音速较低从而实现超音速流动，当气液两相超音速流体从节水喷枪喷出后， 由于流体在空气中所受的压力和混合管内的压力基本相同，故两相流体在空气中 依然是超音速流动。而当两相流体撞击到物体表面时流场突然发生改变，流体内 的压强、速度和温度等参数突然在激波的作用下突然升高，就会在物体表面产生 激波效应【l 】。同时由于气水两相流体混合时产生大量的空化泡，而激波发生时也会 产生大量的空化泡，当这些空化泡撞击到待清洗表面的瞬间湮灭或破裂，就会在 局部表面产生极高的压强以及较大流速的微射流【2 】。在激波和空化的作用下，物体 表面上的污垢受激波震动、高速流体的冲刷及局部高温高压等作用下逐渐脱落， 从而可以利用气液两相超音速流产生的激波效应以及空化泡湮灭产生的空化效 应，来增强水流对待清洗表面除污作用。其最大的特点是摒弃了原始的只通过减 小喷水出口直径实现加大水流速来进行清洗的思想，同时通过提高节水喷枪除污 的能力也达到节水的目的。 另外，如果用水管对绿化植被或花盆直接进行浇灌时，会对花草植物茎叶造 成一定的破坏，还浪费水源，浇灌的也不均匀。因此，本课题设计了一个具有较 大雾化流量，覆盖范围大雾化效果好的压力式雾化喷嘴，不仅能够提高雾化喷淋 的效率，比传统方法还节约用水。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 为了提高环卫工人的工作效率，和方便操作，本课题将节水喷枪和雾化喷嘴 组合成一个新的设计，即新型冲一淋两用节水喷射器，在做冲洗和喷淋不同的工作 时只需将调整阀门即可。该设备成本低，使用轻便，节能节水、无污染等众多优 点，可广泛用于家庭、公园小区、商业广场等地面的清洁和绿化植被的喷灌。 1 1 课题提出的目的及意义 1 1 1 课题提出的目的 本课题提出目的是在现有气液两相流理论、喷射器、空化及雾化等理论基础 上设计一种使用轻便、成本低、节水节能的新型冲淋两用节水喷射器，实现对物 体表面的高效清洗和对绿化植被的雾化喷淋两种用途。能够广泛应用于公园、小 区或商业广场等公共场所地面的除污清洁，及对这些公共场所的绿化植被进行喷 灌护理。 1 1 2 课题提出的意义 学术意义 本课题的学术意义主要概括为下面几个方面： 1 ) 分析新型冲淋两用节水喷射器的结构参数和工作参数对性能的影响，总结 参数变化的规律性，为进一步研究提供可以借鉴的经验和成果； 2 ) 研究节水喷枪内气液两相流超音速流动和空化现象，探讨激波效应和空化 效应在除污清洗方面的应用，为高效节水喷枪的研究奠定基础； 3 ) 本课题首次将高效冲洗和雾化喷淋两种用途的设备进行整合，研发了一个 新的节水产品，为环卫设备工作效率的改进及节水节能方面的研究开辟了一条新 的道路。 实用意义 1 ) 节水节能 目前，在环卫工作中由于使用的设备简陋，存在比较严重的浪费水资源的问 题。本课题所研究的新型冲淋两用节水喷射器在做清洗工作时利用气液两相流体 为工质，同时应用了两相超音速流动时产生的激波效应以及流体中空化泡湮灭产 生的空化效应来加强除污效果，因而通过提高除污效率达到了节水节水节能的目 的。新型冲淋两用节水喷射器在做雾化喷淋工作时，通过雾化喷嘴对绿化植被进 行均匀的喷洒，同目前环卫工人使用的简陋的浇灌方法相比也节约了大量用水。 总之，新型冲淋两用节水喷射器是具有显著的节水节能的特色新设计。 2 ) 安全环保 目前环境污染一直是困扰人类的一大问题，在做清洗工作时使用大量的洗涤 剂或化学药品，这极大危害了人类紧缺的水资源环境。因此需要设计一种具有高 2 重庆人学硕士学位论文1 绪论 效清洗的能力，完全靠流体的动能和压能工作，没有任何转动部件，操作安全可 靠的环保的产品。除污清洗时不需要再使用洗涤剂也能达到较好的除污效果，从 而达到保护环境的目的。 3 ) 方便实用 新型冲淋两用节水喷射器完全是从环卫工人日常工作的角度出发来设计和研 究的，它具有结构简单、成本较低、操作方便并且实用范围广等特点。将会有非 常大的市场空间，如果新型冲一淋两用节水喷射器得到普及应用，这将极大的提升 环卫工人的工作效率，同时人们也能得到一个更加清洁优美的环境。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 喷射器的研究现状 喷射装置在工业上的应用已经有上百年的历史。早在1 8 2 0 年，s t e p h e n s o n 就 将此用于蒸汽动力的火车上以提高气体的排出量。t h o m p s o n 在1 8 5 2 年左右利用 喷射泵来输送液体水，b u n s e n 等人用相似的方法创造出了真空。1 9 2 8 年，d e n c k e l d 3 l 首次将它用于农业工程中，开辟了气力输送干草等物质的新领域。 最早对喷射器的研究可以追述到1 9 世纪6 0 年代，德国学者g 佐伊纳( z e u n e r ) 根据动量定理提出了喷射器的设计理论基础，1 8 7 0 年，他和m 兰金( r u n k i n ) 进一 步发展和完善了这个理论。但z e u n e r 和r u n k i l 4 l 的理论还不能解决实际计算和应用 问题。喷射器的结构虽然简单，但由于超音速流动、混合过程的存在，使内部流 场十分复杂，在设计过程中，对采用流体力学解析基础的基本物理定律进行精确 求解则十分困难。特别是在计算中，要考虑的问题有很多，如激波的处理、各种 能量损失的影响等，如果处理的不当，就会大大降低喷射器的效率，达不到预期 的效果。1 9 3 0 年b h 冈恰罗夫的著作中指出，只有详细研究喷射器里所发生的流 体流动力学现象，才有建立喷射器理论的较大可能性。 f l u g e l 5 】可能是第一个提出以质量、动量、能量方程为基础的喷射压缩理论分 析，他在2 0 世纪4 0 年代中、后期提出了几种分析模型。随后年代中所发表的一 系列著作中，根据一般流体动力学过程的分析，对喷射器的轴向尺寸的计算和流 通部分剖面形状的选择问题进行了研究。由于流体力学和气体动力学等基础科学 水平不够高，计算能力低，建立喷射器的普遍性理论和计算方法遇到了困难。 对喷射器进行理论分析工作的发展过程可分为三个阶段，第一阶段只是研究 进入和离开等截面混合管的基本可逆过程，没有对整个喷射器过程进行分析，是 对喷射器理论分析的一个初步尝试；第二阶段是研究喷嘴位于等截面区的等面积 混合过程；第三阶段则是假设工作流体与引射流体在某一不变的压力下进行混合 的等压混合过程。下面针对以往喷射器研究的结果进行一下整理分析。 3 重庆人学硕士学位论文 1 绪论 j h k e e n a n 和e p n e u m a n n 对喷射器的研究的贡献是显著的。他们是从二十 世纪四十年代开始的，首先以空气为工质，对一无扩压室的简单喷射器系统与预 先分析的特性相比较。后期l u s 帆o r k l 6 j 力口入研究工作，研究带有扩压室的喷射器， 工质仍为空气。他们在1 9 4 2 年发表的文章中，介绍了工作喷嘴出口位于等截面区 的等面积混合模型分析研究的结果，主要有以下结论：a 认为等面积混合比等压混 合的喷射系数大；b 当等截面段与喷嘴喉部的面积比较小时( 小于1 0 ) ，两种混合方 式的效果接近：c 由实验结果与理论计算的比较，实际喷嘴出口位于等截面段入口 外侧约半个等截面段直径时，喷射系数最大；d 喷射系数随面积比的增加而增加， 随膨胀比的增加而降低。 k e e n a n 和n e u m a n n 7 】在1 9 5 0 年的文献中对喷射器等压混合理论模型进行了深 入研究，建立的一维模型是比较完善的。提出了等压混合的假设，即工作流体和 引射流体在从喷嘴出口到等截面段前的吸气室的某处、在某一确定压力下开始混 合，混合流到达等截面段出口时己完全混合。通过对以空气为工质( 假设其为理想 气体) 的喷射器进行实验研究，验证该模型与实际工况比较接近，因此，以等压混 合的假设为基础的这个一维模型理论成为许多研究喷射器理论的一个主要依据。 但其没有考虑引射流体的临界工况，即引射流达到声速的实际情况，与实际有很 大偏差。他们也给出了不同混合管长度时的实验数据。 m u n d a y 和b a g s t e r 8 】于1 9 7 7 年提出喷射器设计的新方法，其机理也是等压混 合。尽管他们的假设考虑了激波的存在和引射流体达到声速的工况，但其忽略了 超音速混合流可经扩压室收缩段降速、减压，激波存在有一定的条件。台湾大学 机械工程系的b j h u a n g 和c b j i a n g t 9 】等人对喷射器的性能及喷射制冷系统进行 了较深入的理论和实验研究。他们提出了假想喉口面积的概念，即引射流体在混 合管收缩段某处达到声速时的面积，并通过实验确定了以r 1 1 3 为工质的喷射器的 假想喉口截面积。同时指出了激波的位置与等截面段的面积、长度、混合区的收 缩角、喷嘴的位置及喷射器的粗糙度有关。 长期以来，喷射器理论只能作估算，大量问题还是靠实验来解决。电子计算 技术的发展和加工、测量技术水平的提高，使对喷射器的研究在理论和实验两个 方面得到了进一步的发展。为了提高喷射器的效率，许多学者沿着理论分析与实 验研究两条途径，通过不断获得喷射器工作的更精确的理论公式及经验公式、结 果，来革新喷射器的结构，使喷射器可以广泛应用于各领域，创造巨大的经济、 环境价值。 为了更好的了解喷射器的实际工作特性，完善和发展喷射器理论，人们开展 了大量的实验研究工作。h e d f e s 和h i l l t l 0 1 进行了较为详细的壁面速度压力分布测 量，所得的实验数据用来验证二维分析方法。利用了多个圆锥状喷嘴的实验表明， 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 喷射器的工作状况对喷嘴的形状没有什么特别的要求。为了进一步研究混合过程， b a u e r 提供了大量的纹影图片，可以看到激波的形式，但其实验结果只适用于定常 面积的喷射器的研究。 n a h a d t l l j 等人观察了面积比对喷射器工作的影响，它们所用的喷射器是固定在 用r l l 作制冷剂的制冷系统中。w a t a n a b e 也观察了面积比的影响，得出了最佳值。 迄今为止，大多数实验都是测量入口压力和混合压力。d e s e v a u x 屹】等用激光观察 了定常面积喷射器的流动过程，较好的得到了流动结构图，他们还用滑移法测量 沿着喷射器中心线的静态压力分布情况，此方法可对激波进行探测，给出激波产 生的位置、长度以及受扰面积的长度。该方法被认为是观察喷射器里超音速流和 激波结构的最有效的方法之一。 我国早期对喷射技术的研究主要是以索科洛夫的喷射器一书为指导，主 要是依赖一元流体流动基本方程和图表及半经验近似计算公式为基础。如1 9 8 1 年， 中山大学的郭金基【l3 】对亚音速气体喷射器进行了大量的模型实验，实测喷射器的 压力、流量、速度等参数的数据，运用数理统计的方法找出速度幂函数曲线，得 出近似的速度分布模型，并用近似计算得出自由射流束长度和混合管的压力值。 此后，郭金基等在此基础上，根据优化条件和渐近法编制计算程序计算最佳截面 尺寸、混合管压力及引射系数。尽管这些工作对改善喷射器的结构、提高喷射器 的效率有一定的指导意义。但其在计算过程中进行了一系列的假设，如流体为不 可压缩流体；喷嘴出口到混合管入口间的压力相等，且等于引射气体的压力，即 等压力假设；工作流体与引射流体及混合流体的比热相等等，与实际偏离很大， 限制了结果的实际应用。另外，计算中引用了许多经验系数，也限制了其程序的 适用范围。 近几年，大连理工大学的沈胜强【1 4 】等人对喷射器的研究工作进行得比较系统 全面，其研究工作在喷射器的理论分析上，开始通过求解反应喷射器内流动的二 维、三维流体控制方程的方法，来捕捉喷射器内部的流场，并通过对大量的模拟 计算结果进行归纳总结，得出适用范围广、机理清晰的喷射器的性能分析理论。 重庆大学赵良举【l5 】设计了增压换热器装置，对喷射器内气液两相流流动和激波进 行了比较深入的研究。其研究成果应用于核动力方面，提升流体的压力。 通过对与喷射器研究相关文献的研究分析发现，无论在实验方面、还是在理 论分析方面，对喷射器的研究工作都有待深入进行在实验方面，尽管实验技术已 经有了飞速的发展，如激光测速技术、全息技术等均有改善，但是由于实验测量 喷射器内部流场的难度大，实验次数有限，尺寸和实验条件的改变困难大、周期 长；实验费用高等，单凭实验研究不能完全满足生产实际的需要。在理论方面， 尽管以一维理论为基础的喷射器设计、分析方法较为成熟，但一维分析理论无法 重庆大学硕士学位论文1 绪论 给出喷射器内部流场的详细情况，因此，对喷射器内部复杂流场的研究还不够深 入、不够全面，因而，获得较准确的喷射器结构、工作参数对其性能的影响的关 系式则非常困难。为此，对喷射过程进行二维乃至三维的研究的必要的。二维的 研究始于t o l l m i e n 最初提出的喷射湍流混合理论，该理论是假设匀质的气流扩散 到与其压力和密度相等的静止气体中，然后应用普朗特的表观切应力的混合长度 概念而得到的，但没有考虑喷射系数，不能确切估计混合过程，尤其不适合高速 流。g a f f 和c o o g a n 1 6 1 在1 9 4 2 年的文献中将t o l l m i e n 的理论进行延伸，假设在二 股流体之间有一分离线，并为流线，这样沿着它的速度和表观切应力在两侧相等， 使其可以适合不同密度的流动工况。但未形成合理的设计方案，仅给出了一个研 究的方向。 利用商业流体计算软件进行喷射器流场的二维、三维数值模拟是目前对喷射 器研究的重要途径之一，也是喷射器理论分析的主要依据。今天，全世界至少已 有5 0 余种的流动与传热问题的商业软件，大部分商用软件都可以进行流动的二维、 三维计算，也使利用数值模拟实现喷射器结构优化成为可能，数值模拟这一手段 将使精确的喷射器设计由理想变为现实。 但是，使用商业流体计算软件模拟喷射器流场必须作很多的必要的补充工作， 如喷射器中工质的真实流体物性的给出、形成适于喷射器结构的网格划分，选择 合适的湍流模型等，这既要求所使用的商业软件是开放式的( 即用户可以根据自己 需要进行修改) ，同时也要求使用者对商业软件有着全面、准确的理解和掌握，这 是一项非常艰巨的工作。从目前发表的研究论文来看，整体喷射器的数值计算并 不多见，多数关于喷射器数值分析的论文局限于分析其中某一过程，如混合过程、 扩散过程，说明对喷射过程的模拟计算远未完成，而将数值方法用于喷射器结构 优化更是少见。 本课题从两相流的可压缩性影响音速的特点出发，研究两相超音速流动，分 析超音速流动导致的激波状况。并利用数值模拟的手段，借助f l u e n t 软件平台， 通过求解三维n s 方程，来捕捉喷射器内部的流动情况。通过观察流场的各种细 节：如激波是否存在，它的位置、强度，流动的分离等，分析喷射器内部流场， 全方位考虑喷射器结构、工质工况对喷射器的影响，得出合理优化的喷射器设计， 并对现有的喷射器研究的实验进行验证，使理论分析与实验研究相结合，最终设 计出最佳的喷射器结构尺寸。 1 2 2 气液两相流动的研究现状 气体和液体物质混合在一起共同流动称为气液两相流。在自然界、日常生活 和工业设备中，气液两相流的实例比比皆是。国外两相流流动规律和计算方法的 研究，主要经历了两个阶段，实验研究阶段和理论与实验相结合，建立数学模型 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 描述两相流水力特性阶段( 模型研究阶段) 1 7 1 。实验研究阶段开始于5 0 年代，大 多数学者利用室内实验管路得到的数据和生产现场的数据( 包括气液相体积、流 量、各项物性、管道倾角以及管道的进出口压力) 开展研究。在流型判断上采用 基于无因次数组的经验性流型图。压降梯度的计算通常以质量和动量守恒原理为 基础，假设多相流体为均匀混合物推导而来，摩擦损失项依据单相流动方程推导 得出。e a b d u v a y t 和r m a n a b e 1 8 1 等人利用实验归纳得出的修正系数表示由于第二 相的存在而增加的摩阻损失。 7 0 年代末，两相流的研究开始从多相流的机理入手，通过建立相应的数学模 型，进而预测流型和液柱中气泡上升的速度。进入8 0 年代，随着计算机的推广和 应用以及计算速度的飞速提高，使得利用烦琐的经验相关式求解实际工程问题成 为可能，一般利用数值积分法从管道的一端到另一端求解多相压降梯度。在生产 中常用的流型划分为贝克流型图、曼德汉流型图、布里尔流型图、泰特尔流型图 等。常用的压降计算方法有贝格斯一布里尔法、贝克勒法和贝克法等。 但是这些经验公式都是在一定的条件下得到的，其适用范围有一定的局限性。 一旦条件发生改变其精度就急剧下降，并且开始暴露出很多问题。例如流型的转 换开始认为在很大程度取决于气液项流量，后来研究发现其它参数对流型的转换 也起着重要的作用，特别是管道倾角【1 9 1 。同样经过实验得到的各种流型的压降计 算公式也有很大的局限性，这一切都说明多相均质混合物的假设过于简单。再者 各公式都是在有限的实验和数据条件下得到的，公式的适用范围也是很有限的。 很明显，由于缺乏对多相流流动机理的的研究，从室内实验和生产现场取得的数 据再多，也难以改进经验公式的精确度。 研究发现，要深入认识管道内多相流的流动规律需要经验研究和理论研究相 结合起来。在实验中广泛采用核密度计、超声波流量计、电容传感器、激光多普 勒流量计和高速摄影技术进行流量和持液率等参数的测量和流型的观察，同时微 机的数据采集系统也使获得大量高质量的实验数据成为可能，数据分析也提高了 对多相流机理的认识，在此基础上有可能建立更为适合的力学模型来描述多相流 的物理现象弘。 预测各种管道倾角的多相流的研究，在稳态力学模型研究方面取得了重大进 步，这些模型经生产数据校验证明比经验公式更准确，而且对这种力学模型还在 继续研究，以后近可能的减少经验成份。多相瞬变流管道的停输、再启动、清管 等在生产中也是不可避免的，对其进行研究能在很大的程度上改善多相流的生产 管理。但是瞬变流的研究难度比室内模拟更大，瞬态模拟比稳态模拟更难以应用 和理解，并需要大量高质量的数据，同时数据的不稳定性也是常见的，目前多相 流技术的研究还须在瞬态力学模型方面做近一步的工作，以便更准确的描述多相 7 重庆人学硕士学位论文1 绪论 流呈现的物理现象。 随着计算机软件开发水平的提高，以及在软件人机图形方面、数据采集和专 家系统方面己取得的进展，使得人们对多相流的认识将得到不断的加深和发展。 同时计算机速度的提高使得各组分相互影响的组分型的流体的传质和物性计算更 为精确，进尔改善多相流模型计算的准确性，可以肯定，通过广泛的实验研究和 现场校正，两相流的物理模型会更接近实际情况。 我国从6 0 年代开始对两相流进行了相关的研究，石油大学、大庆油田设计院 和华北油田设计院等单位先后建立了多相流石油装置，进行了多相流压降、持液 率和流动形态预测方法的研究，并推导出了若干个多相流压降的计算公式。 在理论面，随着计算机仿真技术的发展，多相流仿真也逐渐发展起来。在实 际管管道气液两相流动技术研究路运行中，由于各种条件的影响使管道内不同位 置处的参数很难达到稳定值。但对于有些管路来讲，它的工艺参数变化属于慢瞬 变流范畴，其变化的幅度较小。特别是在管路稳定工作时，各参数随时间的变化 更小。因此，在硬件、软件条件不足的情况下，可用稳态模型来近似描述管路正 常工况，计算其工艺参数的分布情况。从目前所发表的文章来看，大多介绍的是 简化后的瞬态求解方法。总体来说，根据研究的深入程度，瞬态流动模型主要有： 均相流模型、混合模型和分离流模型。 1 9 8 4 年，j o s e p hk e s t i n 和曾丹苓教授基于均相流模型，采用几何拓扑方法， 分析了汽液混合物在缩放喷嘴中的绝热流动过程，进而得到其在相空间的运动迹 线。研究发现，特征矩阵a = 0 时有可能产生激波，其临界截面位于喷嘴的渐扩段， 且随着背压的不同，位置稍有不同，但该截面后的质量流量仍保持不变。与等截 面管道不同之处在于，缩放喷嘴迹线上a = 0 的转折点所对应的流动在现实中并不 一定可行，除非喷嘴被削减一部分，使得激波在出口处发生【2 l 】。 气液两相流的音速是一个非常重要的基本参数，它涉及到临界流动状况的判 断，超音速、亚音速及跨音流动的分析计算及超音速流动中激波的研究等，在理 论与实践上都具有重要意义。对于单相介质音速计算可采用一个统一的式子，但 是对两相介质而言，由于压力波在其中的传播规律极其复杂，与两相的相对速度 及状态参数等均有密切关系。因此，两相介质中的音速暂无统一的计算公式。气 液两相流体的音速与可压缩性密切相关，可压缩性又随容积含气率的变化而发生 显著的变化，因而极大的影响了两相流体的音速。两相流体的低音速特点使两相 流动显示出与单相流体不同的特性，且两相间的换热情况对两相超音速流的流动 参数有较大的影响。目前，国内外学者对于气液两相流音速导出了各种公式，其 中重庆大学赵良举教授【2 2 】等人推导出的气固两相介质的音速公式如1 1 式所示： 8 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 口= ( 啦+ ( 1 吖) ) 署 1 ) 式中，a 为音速，m s ；p 为比容，m 3 k g ；p 为压力，p a ：x 为气相质量与总质量之 比，誓为气相比热比，下标g ，p 分别代表气相与固相。 不考虑水的压缩性，可把空气与水视为气固两相介质。空气与水的音速的研 究相对较多，为了验证以上音速公式，首先计算空气与水的音速，并与实验结果 进行比较。如图1 1 所示为不同压力时的空气与水的两相音速计算值，在体积含气 率较大和较小时，两相音速分别趋于单相空气和单相水的音速，而在体积含气率 的较大范围内，两相介质的音速值远小于任何组分的单相音速。在体积含气率为 5 0 时，音速值最小( 约为2 5 m s ) 。图1 2 为计算值与m i c a e l l i 2 3 1 的实验结果的比 较，实验时两相压力为o 1 1 2 m p a ，气泡直径为4 m m ，从图中可知二者是相当吻合 的。 图1 1 不同压力下空气和水的音速 f i g 1 1s o u n dv e l o c i t yo fa i ra n dw a t e r u n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r e 图1 2 空气和水音速与实验值的比较 f i g 1 2s o u n dv e l o c i t yo fa i ra n dw a t e ra n d e x p e r i m e n t a lv a l u ec o m p a r i s o n 由于气液两相介质的音速较小，气液两相流便很容易实现超音速流动。当流 体以超声速绕物体流动时，所产生的无限多微弱压缩波在下游形成一道突跃的强 压缩波，流体通过这种强压缩波将受到突跃的压缩，它的压强、温度和密度都将