【《蒸汽喷射器设计及数值模型探析案例》3000字】

蒸汽喷射器设计及数值模型分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u15028蒸汽喷射器设计及数值模型分析案例 1106871.1蒸汽喷射器的设计方法 1237191.2数值模拟方法 4195271.2.1湍流模型的选择 428251.2.2数值算法 5291331.2.3几何模型的维数及网格划分 5124371.2.4流体物性及边界条件 61.1蒸汽喷射器的设计方法喷射器的设计会应用到多种方法，除了热力学法和气动函数法之外，同时还包括经验系数法。第一种方法的优势在于，物理意义较为明细，相关计算不复杂。业内人士习惯于通过该种方法去针对喷射器的有关设计进行估计。经验系数采引入了实验图，同时还提供了半经验公式，原理简单，且颇为实用，常见于蒸汽喷射器设计方面。第二种方法，即空气动力函数法诞生于苏联科学家索科洛夫之手，其在动量守恒方程中取代空气动力函数和自由流动理论而得来的。同时，还根据一系列实验结果推导出了喷射器结构的计算方法。本文采用的喷射器设计方法为《SH∕T3118-2018》，工作蒸汽为4.7MPa，温度为566℃，引射蒸汽为0.44MPa，温度为240℃，混合蒸汽压力为1MPa，温度为409℃。其给出的主要计算结果列出：喷射系数的计算公式为： μ=0.834WpkWckμ—喷射系数；Wpk—工作蒸汽流经喷嘴喉管过程中产生的临界速度，单位：m/s；Wck—混合气体流经扩压室喉管过程中产生的临界速度，单位：m/s；kp—工作蒸汽绝热指数，饱和蒸汽取1.135，过热蒸汽取1.30；PH—吸入气体压力（绝），单位：MPa； PP—吸入气体压力（绝），单位：MPa；PC—吸入气体压力（绝），单位：MPa。工作蒸汽通过喷嘴喉管的临界速度按照公式计算： Wpk=2kVp—工作蒸汽比容，m3/kg。对于饱和蒸汽： Wpk=1031Pp对于过热蒸汽： Wpk=1063Pp混合气体通过扩压室喉管的临界速度： Wck=2k在明确膨胀比、压缩比两大参数之后，通过查表3-1的方式确定喷射系数对应的初始值，然而和式计算取得的喷射系数放在一起进行比较，当不超过特定区间时，表明计算是合理的。表3-1工作蒸汽消耗量可通过下式进行计算： GP=aGa—计算误差修正系数，可取1.05~1.10； Gac=GHGac—当量空气量，kg/h；Ft—温度修正系数，查表得；Fm—分子量修正系数，查表得。喷嘴喉径d0：工作蒸汽为饱和蒸汽时： d0=0.744Gp工作蒸汽为过热蒸汽时： d0=0.727Gp蒸汽喷嘴出口直径d1： d1=CdC—喷嘴出口截面上工作蒸汽的计算系数，根据膨胀比和蒸汽状态查表得。扩压室喉径： D=d01+μ其余尺寸根据试验相似法则和使用经验计算选取,各结构参数如表3-2。表3-21.2数值模拟方法1.2.1湍流模型的选择分析CFD研究方法可知，其建立在流体流动的三大守恒定律之上，分别是质量守恒、动量守恒以及能量守恒。计算期间引入其他有关的流动方程也是不可或缺的。实际操作中常用的湍流模型有四种，一是方程模型，二是二方程模型，三是代数应力模型，四是雷诺应力模型。在数值模拟方面，通常引入的是k-ε湍流模型。在后续的相关研究中，以RNGk-ε湍流模型为代表的若干湍流模型也相继问世，但很少应用于数值模拟领域。李海军等学者对喷射器进行研究时，引入了包括LVEL零方程模型在内的多款模型进行了模拟分析，在获取相应实验值之后将其和性能参数放在一起进行了专门的比较。指出Chen-Kimk-ε模型在诸多模型中具有最为优异的计算结果。Y.Bartosiewicz等人模拟了六个湍流模型并将它们与实验数据进行了比较。最后，他们为这种结构的喷射器明确了与之配套的湍流，这一模型便是所谓的k-omega-sst模型。王金峰等在研究过程中引入了k-ε湍流模型，曹家宗、徐海涛、朱金丹、陈辉等均引入了k-ε二方程模型，求取过程中均使用了雷诺方程，提示大部分业界学者更青睐于标准k-ε湍流模型。1.2.2数值算法离散控制方程的主流算法有三种，除了有限差分法和有限元法之外，同时还包括有限体积法。Hedges等率先尝试通过有限差分法去分析和研究发散管流场，Gilbert优化了这一方法，然而未能清楚解释喷射器内部有几率发生的诸如堵塞之类的问题。在应用有限元方法的过程中会对计算机内存产生较大的占用。所以，通常引入有限体积法这一工具对喷射器实施相应的数值模拟操作，旨在在精简计算量的基础上，求取出更为精准的数据。李海军等对控制方程进行研究时引入了有限体积法这一工具，做了专门的离散处理，且计算出了相当精准的数据。1.2.3几何模型的维数及网格划分徐海涛等在研究喷射器几何模型的过程中对其进行了简化处理，得到了具有轴对称特点的二维模型，同时通过结构化网格做了相应的分块处理。明确喷嘴出口位置，找准流体混合点，然后为之设置配套的细化网格，能够精准抓取冲击现象，同时完成对相应边界条件的充分明确。朱金丹等人在研究中对模型进行一定的简化处理，得到了具有轴对称特点的二维模型，然而在网格划分领域，为赋予求取数据较好的独立性（即摆脱网格数量的作用），对一定数量的网格实施了若干次划分，以此保证网格独立模型最终求取结果的有效性。王金峰等在CFD建模操作中引入了具有轴对称特点的二维模型，以喷嘴出口网格为对象做了一定的增密处理，同时还运用耦合求解器这一工具实施了相关求取。曹家宗等对模型进行简化处理，得到了相应的二维模型，并在研究期间引入了非结构化四边形网格实施了相应的划分。依托实际气体状态方程求取出了工作流体的密度指标，在求取期间以自动方式实现了对能量方程的有效激活。张奇等引入了多块网格技术，实施了对网格的具体划分，且于喷嘴颈部等位置进行了一定的致密化处理。在引入密度基求解器的同时，还综合运用了自适应网格方法，借此实现对激波的有效捕捉。现如今，已问世的流场模型大部分可被划归到二维模型范畴，偏简化，结果不够精细，容易诱发流场失真问题，所以无法为喷射器结构设计提供有力支撑。喷射器进入运行状态之后，引射流体入口部位会形成一定数量的旋涡流，当两股流体发生交织时，便会诱发激波问题，此类复杂流动的客观存在会制约喷射器的实际性能，也为模拟工作提出了更高要求，而这种情况下三维模型便有了用武之地。对几何模型进行简化处理，能够获得对应的二维模型，然而由实际可知，三维模型更为契合真实情况，在计算结果上具有更为理想的准确性。基于数值模拟视角看，网格划分是关键，关系到计算结果，当做好网格的科学划分工作之后，才能为后续各项计算提供支撑，有助于保证结果的准确性。在划分网格的操作中，非结构性网格显现出更大优势，能够做自我修复，为划分工作提供了更大的便利性，然而结构性网格也有其突出优势，无论是在收敛性上还是在精度上均更为理想，若可以利用网格工具确定出高度匹配的结构性网格无疑是更为理想的。1.2.4流体物性及边界条件许海涛等许多研究人员引入了壁面修正函数，在工作流体密度这一块通过理想气体定律进行分析，而粘度则利用温度的指数函数加以最终确定。王金峰针对流体工质进行分析和探讨时引入了真实气体模型，尽管该模型相较完美气体模型而言更为贴近实际，但仍然很难得到真实气体的各种参数，这就是为什么在设置中总是使用经验值的原因。Riffa等使用三维模型来模拟喷射流，但认为此种流动属于无法压缩的那一类流动。因为工作流体自喷嘴处喷射而出时的流速很快，达到超音速水平，所以一定要考虑气流本身的可压缩性问题，基于该方面考量，应当引入理想气体模型而非所谓的固定流量。对于蒸汽喷射器，其对应的边界条件具体如下：两个输入均属于压力输入，输出极限被界定成压力输出，与之保持对应关系的压力、温度边界条件均要结合输入、输出两种状态考量；除此之外的实体壁全都默认为无滑移，没有渗透和绝热壁限制。以设计完毕的蒸汽喷射器为对象予以数值