（热能工程专业论文）气液喷射器内两相过程的机理及数值模拟研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着空调制冷系统在日常生活以及工业生产中的广泛使用，传统制冷循环带来的能 源消耗量大、环境污染严重等问题越发突出，因此对于新型制冷循环的研究成为近年来 学术探讨的热点。由于可以利用低温热源驱动，并且本身结构简单、运行可靠，喷射式 制冷系统得到国内外众多学者的关注。 本文针对应用于喷射式制冷循环中的气液喷射器进行分析研究，通过使用数值模拟 的方法着重对混合室内部气、液两相流场的分布和特点进行探讨。本文的主要研究工作 包括： ( 1 ) 在对气液喷射器内制冷剂的工作过程进行理论分析的基础上，结合m e n e g a y 的研究成果，针对混合室内气、液两相流体的流动过程建立数学模型、物理模型，编制 程序进行数值计算。采用h f c - 1 3 4 a 作为制冷工质，以两流体数值模型为基础，建立抛 物线型守恒方程作为编程计算的基本方程。应用二维p r a n d t l 混合长度模型描述流体流 动过程中的湍流现象，引入相问滑移模型模拟两相之间的相互作用。最后利用控制容积 积分法建立离散方程，使用t h o m a s 运算法则进行迭代计算，完成数值模拟。 ( 2 ) 对程序输出的计算结果进行后处理，使用由v i s u a lb a s i c 编制的绘图程序以及 m i e r o s o t te x c e l 将两相流体的压力、速度、含气率等重要参数分别绘制成等值分布图和 曲线分布图，用于分析探讨混合室内流场的分布情况。结果表明，流体之间的相互作用， 包括质量、动量交换，主要发生在混合室的入口段。在这段区域内，喷射流体与引射流 体处于明显的热力学不平衡状态，喷射流体中形成“混合边界层”，流体的压力、速度、 含气率等状态参数的变化很快。而进入到混合室的中后段，混合边界层将消失，两相流 体的流动趋于稳定，状态参数基本不再发生变化。在喷射流体与引射流体混合的整个过 程中，始终伴随着蒸发现象发生。 ( 3 ) 在对混合室内两相流体的流动过程进行数值模拟研究的基础上，改变数值模 拟中所使用的几何结构参数及入口边界条件进行计算。通过分析得到的各参数的无量纲 值，探讨不同运行条件下混合室内两相流场的分布情况。当驱动喷嘴出口半径 ( r r a t i o ) 增大或者引射蒸汽流速( u r a t i o ) 提高时，混合室内流体的轴向压力将 升高；而当驱动喷嘴出口流体的滑移率( s l i p m n ) 增大时，混合室内流体的压力将下 降。 关键词：气液喷射器；两相流；数值模拟；喷射式制冷循环 大连理工大学硕士学位论文 s t u d y o nt h em e c h a n i s ma n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t w o p h a s ef l o wi nt h ez j e c t o r a b s t r a c t w i t i lt h ep o p u l a r i z a t i o no ft h er e f r i g e r a t i o nc y c l ee i t h e ri nt h e d a i l yl i f eo ri nt h e i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , t h ed i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lr e f r i g e r a t i o nc y c l e sh a v eb e e nm o r e a n dm o r ep r o m i n e n c e s i n c et h ee a r l i e rr e f r i g e r a t i o nc y c l e so 。n s u m el a r g ee n e r g ya n dm a k e t h ep o l l u t i o ns e v e r e ，t h ei n v e s t i g a t i o no f t h en e w - f a s h i o n e dc y c l e sb e c o m e st h ek e y s t o n e t h e c j e c t o re x p a n s i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l eh a sg a i n e dm u c ha t t e n t i o nb e c a u s eo f i t sa b i l i t yt ou t i l i z e l o w - t e m p e r a t u r et h e r m a le n e r g yr e s o u r c e s ，a n di t ss i m p l es t r u c t u r ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n t h es t u d yo f g a s l i q u i de j e c t o r , w h i c hi su s e di nt h ee j e c t o re x p a n s i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l e ， i sc a r r i e do u t an u m e r i c a ls i m u l a t i o ni s e m p l o y e dt od i s c u s st h em e c h a n i s m sa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h et w o p h a s ef l o wf i e l di nt h em i x i n gs e c t i o ne m p h a t i c a l l y 1 1 1 ef o l l o w i n g a r et h em a i nc o n t e n t s ： 1 b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h eg a s - l i q u i de j e c t o r ，t h em a t h e m a t i c a la n dt h e p h y s i c a lm o d e l so ft h et w o - p h a s ef l o wi nt h em i x i n gs e c t i o na r ee s t a b l i s h e de s p e c i a l l y c o o p e r a t i n gw i t i lt h ea c h i e v e m e n to fp e t e rm e n e g a y , ac f dc o d ei sp r o g r a m m e dt os i m u l a t e t h em i x i n gs e c t i o no ft h ee j e c t o r t h ep a r a b o l i ct w o - p h a s ef l o wc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n sa r e p r e s e m e du s i n gh f c 1 3 4 aa s t h er e 衔g e r a n t a l s od e s c r i b e di s t h ei p s aa l g o r i t h m , i m p o r t a n ti nm o d e l i n gn o n - e q u i l i b r i u me f f e c t s o t h e rf e a t u r e so ft h ec o d e ，s u c ha s t w o - d i m e n s i o np r a n d t l sm i x i n gl e n g t ht u r b u l e n c em o d e la n dw a l lf u n c t i o na p p r o x i m a t i o n , a r ea l s od i s c u s s e d d i s e r e t i z a t i o no f t h e e q u a t i o n sb yt h ec o n t r o lv o l u m em e t h o di sd e s c r i b e d a n dt h et h o m a sa l g o r i t h mi se m p l o y e dt oc o m p u t ei t e r a t i v e l yf o r t h es i m u l a t i o n 2 p o s tp r o c e s s i n go ft h ec a l c u l a t e dr e s u l t si sc a r r i e do u tb yt h ev i s u a lb a s i cp r o g r a m a n dm i c r o s o f te x c e l t h ec o u t o u r sa n dg r a p h so ft h ep r e s s u r e ，v e l o c i t ya n dq u a l i t ya r e o b t a i n e dt oa n a l y z et h em e c h a n i s m so ft h et w o p h a s ef l o wi nt h em i x i n gs e c t i o n t h ef l o w f i e l ds h o w st h a tt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ef l u i d s ，i n c l u d i n gm a s sa n dm o m e n t u mt r a n s f e r , o c c u r sp r i m a r i l ya tt h eb e g i n n i n go f t h em i x i n gs e c t i o n t h e r ei st h e m i x i n gb o u n d a r yl a y e r i nt h em o t i v ef l o wb e c a u s eo f t h ee v i d e n tn o n - e q u i l i b r i u mb e t w e e nt h es u b c o o l e dm o t i v ef l o w a n dt h es u p e r h e a t e ds u c t i o nf l o w i nt h ed o w n s t r e a mw h e r et h em i x i n gb o u n d a r yl a y e ri s v a n i s h e d ，t h ef l o wb e c o m e ss t e a d ya n dt h ec o n d i t i o no ft h et w o p h a s ef l o wr e m a i n s u n c h a n g e d a l o n gw i t ht h ew h o l em i x i n gp r o c e s s ，t h e r ei sa l w a y st h er e f r i g e r a n tl i q u i d s e v a p o r a t i o no c c u r r i n g 气液喷射器内两相过程的机理及数值模拟研究 3 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ft h em i x i n gs e c t i o n 、i t l ld i f f e r e n tg e o m e t r i cp a r a m e t e r s a n dd i f f e r e n ti n l e tc o n d i t i o n sa 阳c a r r i e do u tt o a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n t t w o - p h a s ef l o wf i e l d s i ti ss h o w nt h a tt h ea x i a lp r e s s u r er i s e sw i t ht h ei n c r e a s i n gm o t i v e n o z z l eo u t l e tr a d i u s ( 艘a t z o ) a n dt h em i x i n gs e c t i o nw i l lo b t a i nab e t t e rp e r f o r m a n c e t h r o u g hi n c r e a s i n gt h es u c t i o nv e l o c i t y ( u r a t i o ) a n dd e c r e a s i n gt h es l i po f t h em o t i v ef l o w ( s z l p m n ) k e yw o r d s ：g a s - l i q u i de j e e t o r ；t w o - p h a s el i q u i d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； e j e c t o re x p a n s i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l e i v 大连理工大学硕士学位论文 致谢 本文是在张博老师的悉心指导下完成的，在论文的选题、研究和撰写过程中，张老 师倾注了大量的心血和汗水。他严谨求实的治学态度、渊博的知识、卓越的才智、敏锐 的思维和谦逊朴实的风格，使我在治学和为人两方面都受益颇深。在过去3 0 个月的学 习生活中，张博老师不仅在学习研究上给予我大力的支持和帮助，而且在生活上更是给 了我细致的关心和无微不至的照顾。在此，向导师致以崇高的敬意和衷心的感谢。 感谢沈胜强、李素芬、尹洪超等热能教研室的各位老师所给与的帮助和鼓励! 感谢我的父亲、母亲在生活、工作中给予我的巨大支持和帮助。此文谨献给敬爱的 父母。 感谢大连理工大学青年教师培养基金( 2 0 0 5 ) 、国家自然科学基金( 2 0 0 5 ) 对本文 工作的资助。 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理j ：人学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数掘库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 蔓羹竺 坯群 翌! 年j 上月班日 大连理工大学硕十学位论文 1 绪论 近年来，随着对空调制冷系统研究的逐渐深入，喷射式制冷系统作为一种可以利用 低品位能源的高性能新型制冷系统，得到了广泛关注。气液喷射器的引入不仅有利于提 高制冷循环的工作性能，同时可以降低制冷过程的能源消耗。因此气液喷射器理论的研 究成为喷射式制冷系统发展的关键。 气液喷射器是一种类似于驱动泵的设备，用于提升工作流体的压力，不同的是结构 更为简单，但升压过程更为复杂。在气液喷射器中，所有的热力学过程仅依赖于气，液 两相流体间的直接交换和转换过程，不需要任何运动机械，因此其最突出的特点就是不 直接消耗机械能。气液喷射器技术在国外发展很快，现已普遍应用于国民经济各行业。 我国在水利，电力，交通，化工、核工业和航空航天等行业正在逐步推广使用，取得了 巨大经济效益。 1 1 喷射式制冷循环 图1 1 为喷射式制冷循环的示意图，如图所示：制冷剂蒸汽在冷凝器内冷凝，得到 的饱和液体进入气液喷射器的驱动喷嘴。液态制冷剂在喷嘴内膨胀，喷射出的高速气液 两相流进入混合室后，引射来至蒸发器的制冷剂蒸汽，使得蒸发器压力降低，进而蒸发 器内的制冷剂在低压低温下沸腾，产生冷负荷。两股流体混合后，进入扩散室，流体的 压力进一步升高。然后，两相流进入气液分离器，分离出的气体进入压缩器，液体进入 蒸发器。由于气液喷射器的引入，压缩机的吸入压力将高于普通压缩式制冷循环中压缩 机的吸入压力，压缩机消耗的功下降，达到节省能源的目的。 图1 1 喷射式制冷循环示意图 f i g 1 1s c h e m a t i co f e j e g t o re x p a n s i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l e 气液喷射器内两相过程的机理及数值模拟研究 喷射式制冷循环的概念是由g a y 于1 9 3 1 年提出的，1 9 6 6 年k e m p e r 等进一步完善 了该制冷循环。1 9 7 2 年，n e w t o n 对喷射器内流体的物理过程进行了初步的分析，并就 制冷循环的系统控制技术申请了两项专利。遗憾的是这些研究缺乏实验数据和理论分 析。 在早期工作的基础上，k o r n h a u s e r 1 】对于喷射式制冷循环工作性能进行的研究表明， 应用气液两相喷射器取代机械升压设备可以使循环的c o p 值提高2 1 。这个结论是在 假设两相流体混合过程压力不变以及流体流动过程绝热的前提下，在标准工况下得出 的。标准运行工况是指以h f c - 1 3 4 a 为制冷工质，蒸发温度为一1 5 ，冷凝温度为3 0 。 m e n e g a y 和k o m h a u s e r l 2 】还建立了实验用喷射式冷循环系统，测试的数据表明，在相同 的工况下系统实际运行时的c o p 值远小于计算得到的理论值，大约可以提高3 8 左右。 1 2 气液两相喷射器 气液喷射器是利用射流紊动扩散作用，进行传质传能的流体机械和混合反应设备。 由于摒弃了现有的机械运动部件，实现升压过程不需要外界的动力供应，同时具有结构 简单，加工容易、工作可靠，安装维护方便以及启动快等优点。气液喷射器一般由四部 分组成，分别是：驱动喷嘴，引射喷嘴混合室以及扩散室，如图1 2 所示。 图1 2 气液喷射器示意图 f i g 1 2s c h e m a t i co f g a s l i q u i de j e g t o r 1 2 1 驱动喷嘴 a i e x a n d r i a n l 3 1 和b u n c h 4 1 分别对喷射器驱动喷嘴的工作性能进行研究，证明气液两 相流体喷嘴的效率要低于单相流体喷嘴的效率，探讨了喷嘴内两相流体之间速度滑移率 大连理工大学硕七学位论文 的重要影响。而h a r r e l l 5 1 也对喷嘴内两相流的流动状态和工作机理进行了系统的研究分 析。根据h a r r e l l 的理论，进入驱动喷嘴的泡状流是处于热力学平衡状态的均匀气液两 相流，离散相气泡与连续相液体以相同的速度流动。流经壅塞喉部后，泡状流在渐扩部 分继续膨胀，同时伴有液体的蒸发现象。喷嘴内流体的压力将不断下降，气泡逐渐长大， 在某一点后，流体由带有气泡的液体流转变为夹带液滴的气体流，如图1 3 所示。 图1 3 驱动喷嘴示意图 f i g 1 3s c h e m a t i co f m o t i v en o z z l e h a r r e l l 认为流型的转变是通过激波进行的。对于液滴流而言，由于流体的音速约等 于液滴流中的连续相一蒸汽的音速，因此激波后流体的流动是亚音速流动。随着两相 流体在喷嘴内继续膨胀，蒸汽的流速将不断减小，而液滴的速度却保持不变。这是因为 液滴的密度较大，具有较大的惯性，速度不易改变。因此驱动喷嘴出口处将喷射出夹带 高速液滴的低速蒸汽流，两相流体间具有很大的滑移率。 1 2 2 混合室 由蒸发器产生的过热制冷剂蒸汽在引射喷嘴内膨胀，然后被引射到混合室内，与驱 动喷嘴出口喷射出的气液两相流相遇。由于液滴的速度远大于蒸汽的速度，两相流体间 处于不平衡状态，因此流体将互相混合。两股流体间进行的动量传递将使两相流体逐渐 达到力学平衡，同时混合室内的压力随之升高。 但是根据h a r r e l l 5 j 实验得到的混合室内压力分布的数据可知，在入口处，流体的压 力上升得很慢甚至会稍有下降，流经一段距离以后，压力才正常升高。在气体喷射器的 混合室内也同样也会出现这种压力升高的延迟，h i l l l 6 】认为这是混合室内发生回流现象 造成的结果，h i l l 同时还给出了用于表征气体喷射器混合室内单相流体流动过程中发生 回流现象趋势的无量纲参数一h i l l 数。m e n e g a y 【7 】则将h i l l 数的定义扩展到气液喷射器 混合室内的两相流体中，应用于气液喷射器混合室的分析计算中，研究了混合室的结构 对回流现象的影响，结论表明：小口径混合室内流体的流动不易发生回流。 气液喷射器内两相过程的机理及数值模拟研究 本文在数值模拟过程中采用抛物线型偏微分方程，由于这种方程的特性就是下游的 物理量取决于上游，而上游的物理量不会受到下游物理量的影响。因此当混合室内气液 两相流体的混合过程中出现回流现象时，本文所编制的程序将无法进行计算。为了满足 本文数值模拟的前提假设，计算过程中将使用小口径的混合室结构，保证混合室内不会 出现回流现象。 1 2 3 辅助设备 图1 4 气液喷射器及辅助设备示意图 f i g 1 4s c h e m a t i co f g a s l i q u i da n da u x i l i a r yc o m p o n e n t s 为了保证喷射式制冷系统的正常运行，提高气液喷射器的工作性能，需要提供必要 的辅助设备与气液喷射器配合使用，完成制冷循环。主要辅助设备包括：节流阀、泡状 流管以及分离器，如图1 4 所示。 在冷凝器出口与气液喷射器入口之间引入截流阀和泡状流管，作为气液喷射器的前 处理设备。因此，冷凝后的过冷制冷剂在进入驱动喷嘴之前首先需要通过节流阀，在节 流过程中液态制冷剂中将产生气泡，初步形成气液两相流。该两相流随后进入下游的小 口径管道，即泡状流管，形成高度离散的均匀泡状流。截流阀和泡状流管的使用将降低 驱动喷嘴内流体流动的不稳定性。 同时在气液喷射器出口与压缩机入口之间引入气液分离器，作为气液喷射器运行的 后处理设备。在扩散室内压力得到进一步升高后的气液两相流在进入压缩机之前，需要 经过分离器。在这里两相混合流被分离，气体进入压缩机，而液体则进入蒸发器。分离 器是气液喷射器在制冷系统中运行时必要的辅助设备，主要有两个原因：一是夹带有液 滴的蒸汽进入压缩机后将会对压缩机造成损坏，二是由于一部分液体没有进入蒸发器造 一4 - - 大连理工大学硕士学位论文 成了系统制冷效率的下降。因为这部分液体随蒸汽进入压缩机被再次压缩，没有生产任 何冷负荷。如果进入压缩机的制冷剂的质量含气率为9 9 7 ，那么系统的c o p 值将下降 到标准工况下系统运行时c o p 的9 9 1 。因此蒸汽在进入压缩机前必须先经过分离器， 以保证喷射式制冷循环在高性能状态下运行。 1 3 两相流模型研究 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，完整的分析解目前还无法导出。深入分析两相流所需知识的深度 和广度是惊人的。为了提高求解精度，付出的代价就是增加其复杂性。在不懈的探索过 程中，人们先后提出了多种数理模型，包括：均相流动模型，分相流动模型，漂移模型 以及两流体模型。 均相流动模型，将气液混合物看作是一种均匀介质，视为具有均匀流体特性的单相 流体对待，采用两种基本假设：一是两相间处于热力学平衡状态；二是气液两相的流速 相等。 分相流动模型，将气、液两相当作连续流体分别来处理，其基本假设为；一是两相 流体间保持热力学平衡；二是气液两相的速度为常量，但不一定相等。 漂移模型，由z u b e r 等人提出，它是在热力学平衡的假设下，建立在两相平均速度 场基础上的一种模型。 两流体模型，将每一种流体都看作是充满整个流场的连续介质，针对两相分别写出 质量，动量和能量守恒方程，通过相界面间的相互作用将两方程耦合在一起。 实际上气液两相的流速并不相等，只有在高含气率或很小含气率时两相流速才近似 相等，因此均相流动模型实际上只适用于细泡状流和雾状流。前人的研究成果显示，均 相模型的计算结果同实验数据之间存在较大出入，偏差随质量流速的减小而增大。这种 偏差的存在是因为均相模型假设两相间没有速度差异而造成的。当质量流速较小时，浮 力效应显著，引起两相速度间相当大的差异：而质量流速较大时，液相湍动的结果使得 两相的混合更加均匀，因此质量流速增大时偏差减小。分相流动模型在一定程度上考虑 了两相间的相互作用，计算结果比均相模型理想。分相模型适用于两相间存在微弱耦合 的场合，如分层流和环状流。漂移模型提出了漂移速度的概念，当两相流以某一混合速 度流动时气相相对于这个混合速度有一个漂移速度，液体则有一个相反的漂移速度以保 持流动的连续性。漂移模型具有较普遍的实用性，在某些场合例如弹状流时使用这个模 型的结果相当好。两流体模型将每一种流体都看作是充满整个流场的连续介质，针对两 相分别写出质量，动量和能量守恒方程，通过相界面间的相互作用( 动量、能量和质量 气液喷射器内两相过程的机理及数值模拟研究 的交换) 将两组方程耦合在一起。这种方法，只需假设每相在局部范围内是连续介质， 不必引入其它人为假设，而且对两流体的种类和流型没有任何限制，所建立的两相流方 程是目前最全面完整的，求得的解中包含的信息丰富完全。 在早期两相流的数值模拟计算中，通常使用一些较为简单的模型。六十年代， s t a l - k m a n 9 1 等分别应用均相模型，分相模型和漂移模型模拟渐缩渐扩喷嘴中低含气率两 相流的膨胀过程。w a l l i s 1 0 l ，a r d r o n 和f u r n e s s 1 1 】分别对两相流体的模型进行了分析总 结。尽管这些研究在一定程度上考虑到了两相流体间的热力学不平衡性，但是计算结果 只适用于反应堆冷却管的情况，缺乏通用性。 在随后的研究中，r i t e h t e r t 2 1 在一维模型的基础上对喷嘴进行编程计算。数值模拟 中采用分相模型，这种模型针对两相分别建立守恒方程，但是忽略两相流体之间的相互 作用，是一种类似于两流体模型的数值模型。 i s h i i 1 3 l 在多年研究的基础上提出了两流体数理模型，分别考虑两相的质量，动量及 能量守恒方程，这些平衡式是通过适当的平均方法得到的，代表了每一相的宏观场。由 于每一相的宏观场都不是独立于另一相存在的，因此在场方程中存在着耦合了每一相的 质量，动量及能量输运的相互作用项。i s h i i 和m i s h i m a 1 4 1 通过时间平均得到两相流体的 守恒方程，同时引入一个通用分布函数来表示局部界面上的输运项。l a h e y 和d r e w 1 5 l 则对两相流体的守恒方程进行时间和空间上的平均得到类似的两流体模型。 本文在数值模拟过程中将采用两流体模型，在建立基本方程的基础上，还要补充湍 流模型，流型，液滴或气泡的半径以及制冷剂的物理属性。经过适当的坐标转换后，将 控制方程进行离散化处理，再编程计算。 需要注意的是，由于两流体模型包含的变量多，方程复杂，求解比较困难。因此在 计算过程中需要作适当的简化，例如假设在混合室内两相流体的热物理性质恒定不变， 忽略流体的可压缩性。能量守恒方程将不被求解，因此相界面上两相流体之间的能量传 递也不要需要考虑。同时计算中使用的液滴或气泡的半径值是通过简单的代数模型猜测 得到的，需要进一步研究。 1 4 现有计算程序研究 对于应用于喷射式制冷循环中的气液喷射器，其混合室内两相流体的数值研究可以 使用以下三种程序： ( 1 ) 通用计算流体力学商业软件包，常用的有p h o e n i c s ，c f x ，f l u e n t ， s t a r c d 等。 ( 2 ) 采用全局模型法，在一维模型的基础上分析研究气液喷射器的工作性能。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 采用局部模型法，针对具体的工作过程进行编程计算。 目前全世界大约有3 0 种以上的c f d 商用软件，这些软件界面良好，具有强大的前 处理和后处理功能，可以分析从层流到紊流定常到非定常，无粘到有粘的几乎所有的 流动现象。对于两相流动，商业软件的做法包括：如果第二相足够稀，一般将其处理为 主流中的特定成分，通过增加源项来反映两相密度的差异；对于有些问题，特别是气体 注入液体的情况，系统处理为将气相的垂直速度分量加上漂移速度；在有些稀疏流动情 况，使用欧拉一拉格朗日方法通过主流场追踪颗粒。前提是假设流场不受颗粒存在的 影响，也就是不考虑双向耦合效应。但是这些软件难以提供相间动量、能量和质量传递 的耦合关系，无法考虑两相之间的相互作用。虽然它们对于工程应用来说已经能够提供 许多实用信息，但无助于了解两相流现象的物理本质。 当采用全局模型法时，对整个混合室建立一维守恒方程，在模拟过程中需要引入大 量的假设和经验数值，缺乏通用性。但是这种模型方法比较简单，易于计算。早在1 9 3 9 年f l u g e l 就针对气液喷射器建立了一维流动模型，对喷射器的结构设计进行了初步研 究。c a t t a d o r i l l6 】等在一维流动模型的基础上针对中心进汽结构气液喷射器的特性计算建 立了半经验模型。d e b e m e 1 1 对混合室建立一维均相模型，计算混合室的工作性能。 b e i t h o u ”】，s h e d t t 聊，c i z u n g u l 2 0 1 等也分别应用一维模型对喷射器进行研究。以上这些 研究分析过程中，均忽略摩擦损失，散热损失，同时假设流体流动稳定。因此这种模型 方法也同样存在着不能解释两相流体的物理本质的缺陷。 而局部模型方法，考虑到了两相流体流动过程中的主要现象，包括：气，液相变过 程，能量，动量的传递，非绝热非平衡壁面上的粘性耗散等等。计算过程中将模拟喷射 器内流场每一点的流体流动。由于混合室中两相流体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时问题，这种模型方法并不完善。 但是这种模型更贴近实际情况，数值模拟结果较好。d o b r a n l 2 1 】在两流体模型的基础上编 制程序，计算处于不平衡状态的自由蒸汽射流，模拟过程中忽略流体的粘性效应和湍流 效应。1 9 7 8 年s p a l d i n g 编程计算研究两相流体的流动，然后以通用商业软件p h o e n i c s 对同样的问题进行计算。研究结果表明，针对具体问题编程进行数值模拟的效果要好于 使用通用软件包的计算结果。 1 5 本文主要工作和研究内容 在已有的研究理论和实验数据的基础上了解喷射式制冷系统的运行情况和工作性 能，着重研究气液喷射器内两相流体的工作机理。主要是应用两流体数值模型对喷射器 气液喷射器内两相过程的机理及数值模拟研究 的混合室内两相流体间混合，相变的过程进行数值计算，分析探讨混合室的工作机理。 工作内容包括： 1 在m e n e g a y 研究成果的基础上，应用由f o r t r a n 编程语言编制的程序对气液 喷射器进行数值模拟，计算过程中采用h f c 1 3 4 a 作为制冷剂。所用程序是建立在两流 体模型基础上的，针对气，液两相流体建立抛物线型的守恒方程，通过方程中相界面上 的输运项，描述流体间热力学不平衡的影响。采用二维p r a n d t l 混合长度湍流模型和壁 面函数法来完善方程组，同时利用控制容积积分法离散方程，完成混合室内两相流体流 场的数值模拟计算。 2 利用v i s u a lb a s i c 编制绘图程序，将计算得到的物理量( 压力，速度、含气率等 状态参数) 绘制在等值分布图上；利用m i c r o s o f te x c e l 将物理量绘制成曲线分布图，以 便于分析研究混合室内流场的特点及两相流的工作机理。 3 应用不同结构参数的混合室进行计算，分析结构参数对混合室工作性能及其内 部流场的影响。 4 改变混合室的入口边界条件，分别探讨驱动喷嘴出口和引射喷嘴出口流体的状 态参数对混合室内部流场的影响。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 气液喷射器混合室数学模型建立 对于两相流体进行数值模拟的目的是确定流场内每一相流体的速度、压力、含气率 等物理量的值，因此需要对流体建立用于描述质量、动量以及能量守恒的偏微分控制方 程。这些方程再通过源项耦合在一起，而源项则是用于表征相界面上物理量的传递的。 值得注意的是，一般形式的两相流方程非常复杂，直接用它解决具体流动问题相当 困难。在许多工程实际问题中一般只需要提供宏观量，如压力、密度、流速、温度等， 因此使用适当的简化假设是必要的。包括将方程转化为无量纲形式，根据流体的几何形 状进行坐标变换得到适体坐标系，建立离散方程等等。为了进行计算，还需要为方程提 供适当的入口边界条件。 在两流体模型的推导过程中通常使用各种平均方法进行计算，重要的流场瞬态特性 在平均过程中均会丢失，因此需要额外补充正确的封闭模型。除了缺乏界面质量传输项 以外，双流体模型的主要困难在于如何模化应力项、压差和界面力，以使方程组封闭。 2 1 两相流的数值模拟方法 目前的数值模拟对两相流中的各相流体通常有两种处理方法：一是将某相看成是连 续的，根据连续性理论导出欧拉型基本方程，称为欧拉方法；二是将某相视为不连续的 离散型，对每个质点进行拉格朗日追踪，称为拉格朗日方法。综合起来，对两相流动来 说，存在着欧拉一欧拉、欧拉一拉格朗日、拉格朗日一拉格朗日等3 种方法。 2 1 1 拉格朗日一拉格朗日方法 拉格朗e t 模型中流场和离散相的传输均用瞬态模型计算，这种方法的关键在于它对 剪切流动中的离散相传输给出了物理描述，使用正确的受力定律来描述颗粒的运动。具 体方法是在流场中特定的源点引入大量的颗粒，针对每个独立的颗粒按照运动方程积分 以求得其运动轨迹。离散相的统计信息可以从其轨迹和瞬时速度得到。这种方法用来预 测离散相传输主要受到以下条件的限制： ( 1 ) 流场为二维，由大尺度涡结构控制； ( 2 ) 离散相由球形颗粒组成，密度均匀； ( 3 ) 离散相的传输仅由大尺度结构而不是小尺度紊流控制； c 4 ) 流动“稀疏”，也就是说颗粒间或颗粒与流体间的相互作用无需考虑。 需要注意的是使用拉格朗日一拉格朗日方法模拟瞬态流动，对计算能力提出了非常 苛刻的要求，目前仍然仅限于简单的剪切流。 气液喷射器内两相过程的机理及数值模拟研究 2 1 2 欧拉一拉格朗日方法 欧拉一拉格朗日混合模型是一种很有前途的方法，它使用基于网格的时间平均方法 得到连续相流场，例如有限体积或有限元法。对于离散相，最初的模型( c r o w e l 2 2 1 ) 假 定其速度与连续相流场完全一致，后来的发展( b e r l e m o n t t 2 3 1 ) 是对离散相的拉格朗日 型方程进行积分以得到它们的运动轨迹。 欧拉一拉格朗日方法同样对湍流模型非常敏感，通常忽略了离散相对连续相的反 作用，因此该方法的缺陷是缺乏对离散相流动结构的定量预测，同时欧拉模型的时间平 均会造成流动瞬态脉动特性的丢失，从而无法得到剪切流动中大涡结构的瞬态特性。即 使引入随机过程也无法对丢失的瞬态信息进行有效的补偿。所以这种方法只对稀疏的两 相流具有较好的计算结果。 2 ，1 3 欧拉一欧拉方法 这种方法将连续相和离散相全部认为是统计连续的。由于存在两种流体，各相的体 积含率不可能在时间和空间上逐点求解，必须对特定的时间和空间进行平均。这种模型 目前应用最为广泛，c o o k 和h a r l o w l 2 4 1 研究了绕方柱的泡状流动中漩涡脱落过程，求解 每相的瞬态n a v i e r s t o k e s 方程，两相的耦合使用压力梯度、附加质量和动量的交换关 系，所得结果中漩涡对气泡的捕获与实验比较基本吻合。 欧拉双流体方法对紊流封闭的假设非常敏感，而两相流的紊流模型仍未成熟；同时 这种方法存在明显的缺陷，由于将离散相分布在控制容积上，无法得到真实的离散相流 动图像。需要注意的是，使用欧拉一欧拉方法进行数值模拟不如使用拉格朗日一拉格 朗日方法和欧拉一拉格朗日方法精确，但是这种方法对计算的要求较低，是目前处理 稠密两相流唯一可行的方法。因此本文选择欧拉双流体模型进行数值模拟。 2 2 两相流的控制方程 所有的计算流体问题都是以流体的控制方程为基础的，不同的流动模型将推导出不 同形式的控制方程。本文使用的控制方程需要以下假设： ( 1 ) 两相流体的流动是稳态流动； ( 2 ) 计算过程中，忽略重力的影响； ( 3 ) 两相流体是牛顿流体，即切应力与速度梯度成正比； ( 4 ) 两相流体的偏微分控制方程是抛物线型的； 抛物线型方程是用于描写物理学中一类步进问题的，在这类问题中因变量与时间有 关，因此又称为初值问题。这类问题的求解域是一个开区问，计算时从已知的初值出发， 逐步向前推进，依次获得适合于给定边界条件的解。步进问题的依赖区与影响区以特征 大连理工大学硕士学位论文 线为界而截然分开是有其明确物理意义的。对于边界层类型的流动与换热问题，因为略 去了主流方向的扩散作用，抛物线型方程的上述特性是下游的物理量取决于上游，而上 游的物理量不会受下游影响的这一物理现象的反映。 步进问题的这些特点对于数值计算十分有利。在这类问题中，不必像平衡问题那样， 整个区域内各节点的值要同时求解，而是可以从给定的初值出发，采用层层推进的方法， 一直计算到所需时刻或地点为止。这样，虽然所计算的问题是二维的，但求解代数方程 是所需的存储容量却只是一维的，这就可以大大节省所需的计算时间及内存。 2 2 1 质量守恒方程 根据质量守恒定律在柱坐标内建立方程： ， 兰鲫) + 兰鲫) = r r ( 2 1 ) ( wa r 其中，口代表每一相流体的体积分数，r 代表由于凝结或蒸发现象导致的相界面上的质 量传递率。从形式上看，两相流体的质量守恒方程与单相流体的方程很相似，不同的是 比单相流体的方程多出两项： 第一项是各相的体积分数盯，该参数表明划分得到的单元格存在两相流体，由于每 一相流体都在该单元格中占据一定的空间，因此体积分数与速度和压力等参数一样，是 计算过程中必须求解的重要未知变量之一。 二是方程右边的源项，r ，这一项表征由于蒸发或凝结导致的两相流体之间的质量 传递，该质量传递与两相相界面上的动量传递强烈耦合。 2 2 2 动量守恒方程 本文在数值模拟的过程中使用的方程是抛物线型的方程。当流体的扩散现象在一个 方向上占主导地位时，即流体在下游的流动是受到上游流动决定的，而下游的流动不能 影响到上游流动的情况下，使用抛物线型方程是可行的。与单相流体的情况相似，当使 用抛物线型方程时，需要对数学模型进行简化假设。流体的径向速度应远小于轴向速度， 可以忽略不计，而速度的径向梯度则远大于轴向梯度。大量研究数据表明，流体压力仅 在轴向上发生变化，而在某一截面内压力分布是相等的。因此压力的影响也是沿着一个 方向占主导地位的，流体轴向的动量方程具有更重要的意义。 对于气液喷射器内两相流体的流动，采用抛物线型的控制方程计算时存在一些问 题： 一是在驱动喷嘴内，由于截面积发生变化，流体压力的径向梯度逐渐明显，压力的 影响不再沿一个方向。 气液喷射器内两相过程的机理及数值模拟研究 二是在混合室内，当发生回流现象时，抛物线型方程将无法得到收敛的解。已有的 研究表明，相对于单相喷射器而言，气液两相喷射器更容易发生回流现象。因为气液喷 射器驱动喷嘴出口喷出的两相流体中，高速液滴的密度大，具有较大的动量值。喷射出 的两相流具有的动量明显高于引射蒸汽流的动量，混合室内各流体之间的热力学不平衡 性更为突出，更容易发生回流现象。 由于编制的程序具有局限性，本文的数值计算将针对无回流现象的混合室内两相流 体的流动进行。根据牛顿第二定律建立轴向动量守恒方程： 丢胁2 ) + 昙伽) = 咄掣+ 昙( ，掣雾) + 以+ r m x c z 其中，等式左边的两项丢( ，删2 ) + 昙g p 倒v ) 是对流项，等式右边的第二项导( ，掣考 是剪切应力项，这两项在形式上与单相流体动量守恒方程中的相应项很相似，唯一不同 的是多出了容积相含率口。等式右边的最后两项是相界面源相，其中第一项源项r e 用 于表征两相流体之间形成的相界面上的应力，第二项源项洲，用于表征两相流体相界面 上由质量传递导致的动量传递。而等式右边的第一项一口望鱼型是压力项，该项也可以 出 表示为： 丢( p 口) 一p 丢 ) = 口罢 ， 其中，等式左边第一项导( p 口) 表明作用在控制容积上的压力发生变化时，将导致流体 的体积分数随之变化；而第二项一p ) 表明即使在控制体积内流体的压力保持不变， 但压力梯度仍然存在。这是因为如果体积分数发生变化，就意味着压力作用的面积也发 生变化。从另一角度来看，式( 2 3 ) 中的第一项代表了作用在控制容积上的