蒸汽噴射器的三維數(shù)值模擬研究
借助STAR-CCM+軟件對熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)中的核心部件蒸汽噴射器進行了三維數(shù)值模擬，采用有限體積法離散控制方程，標(biāo)準k-ε湍流模型，近壁面處使用壁面函數(shù)修正。考察并分析了工作蒸汽、引射蒸汽壓力及噴嘴喉部直徑對蒸汽噴射器的工作狀態(tài)及內(nèi)部流場狀態(tài)的影響，采用速度云圖和壓力云圖來解釋噴射器內(nèi)的混合情況，得到了針對此尺寸的蒸汽噴射器的最佳操作參數(shù)。數(shù)值計算結(jié)果表明，通過計算流體力學(xué)數(shù)值模擬找到工作蒸汽壓力和噴嘴喉部直徑的最佳值，使得蒸汽噴射器的噴射系數(shù)達到最大，從而起到節(jié)能作用。
蒸發(fā)過程是生物化工生產(chǎn)中常見的工藝過程，傳統(tǒng)的蒸發(fā)過程中，大量含能的二次蒸汽得不到利用，能量損失嚴重。采用蒸汽噴式射熱泵系統(tǒng)對二次蒸汽進行回收利用可達到很好的節(jié)能效果。蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)如圖1，高溫高壓蒸汽作為工作流體通過噴射器噴嘴，形成高速射流，在噴嘴口形成負壓，將二次蒸汽卷吸帶入，兩股流體在混合室混合，發(fā)生能量交換，在擴散器進行擴壓、升壓，形成一股具有較高壓力的蒸汽，流回蒸發(fā)器加熱室。蒸汽噴射器是蒸汽噴射式熱泵系統(tǒng)的核心裝置。蒸汽噴射器具有以下優(yōu)點:沒有動力部件，不直接消耗機械能;成本低廉，便于維修;結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便;運行平穩(wěn)，壽命較長;具有顯著的節(jié)能效果。因此，蒸汽噴射器在化工、制藥、石油、生物、制冷、能源、海水淡化等多種工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。
由于噴射器內(nèi)部流體存在激波、粘性干擾、渦流等復(fù)雜的流動，對其流場特性的研究還不夠全面，對蒸汽噴射器的研究有待深入。很多學(xué)者通過實驗對蒸汽噴射器進行研究，Kanjanapon Chunnanond等通過實驗分析了噴射器內(nèi)部的壓力分布;Natthawut Ruangtrakoon等由實驗得出工作噴嘴尺寸對噴射器工作狀態(tài)的影響。然而由于實驗會受到模型尺寸、測量精度的限制，很難快速得到整個流場的參數(shù)結(jié)果。隨著計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者使用CFD方法研究流場問題，并驗證了采用此方法研究蒸汽噴射器的工作狀態(tài)，可以作為實際工程的參照依據(jù)。為了擺脫一維、二維模型太過簡化的缺點，避免流場的失真，本文采用STAR-CCM+軟件對蒸汽噴射器的三維模型進行模擬研究。
圖1 熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖
1、噴射器的數(shù)值模擬
1.1、結(jié)構(gòu)尺寸及網(wǎng)格模型
典型的蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由工作噴嘴、接受室、混合室及擴散器四部分構(gòu)成。以某廠熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)中的蒸汽噴射器為例進行模擬，其尺寸見表1。
圖2 蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)簡圖
由于蒸汽噴射器為對稱結(jié)構(gòu)，為節(jié)省計算時間與計算機資源，本文將模型的一半作為研究對象進行模擬計算。將幾何模型導(dǎo)入STAR-CCM+5.06.007中進行網(wǎng)格劃分，選擇六面體為核心的切割體網(wǎng)格，為既避免網(wǎng)格粗大造成誤差，也避免網(wǎng)格數(shù)量過多影響計算速度，在必要的地方進行局部加密。以WallY+值為標(biāo)準，檢驗邊界層尺寸是否設(shè)置合適，得到最佳邊界層尺寸。為使計算結(jié)果不受網(wǎng)格影響，設(shè)置不同網(wǎng)格基準尺寸、加密區(qū)域與加密尺寸，通過多次模擬得到網(wǎng)格無關(guān)解。最終得到的體網(wǎng)格模型的如圖3所示。
表1 蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)尺寸
圖3 蒸汽噴射器體網(wǎng)格模型
3、結(jié)論
(1)相對實驗，CFD技術(shù)可以得到一個直觀的內(nèi)流場狀態(tài)，并可通過云圖對蒸汽噴射器的工作狀態(tài)進行合理解釋;這種方法成本低廉，可以任意改變操作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)，進而可以進行更多的研究工作，對提高蒸汽噴射器工作能力具有重要意義。
(2)工作蒸汽由噴嘴噴出后速度以激波的形式呈振蕩衰減，并非均勻減小;壓力也非單一不變，而是經(jīng)過一系列的振蕩最終達到背壓。
(3)工作蒸汽壓力對蒸汽噴射器具有一定影響，隨工作壓力增大，噴射系數(shù)變大，但是存在一個最佳工況參數(shù)使噴射系數(shù)達到最大，超過這個臨界值后噴射系數(shù)反而變小�？梢酝ㄟ^數(shù)值模擬找到最佳值，從而起到節(jié)能作用。
(4)增加引射壓力可使噴射系數(shù)變大，但由于此壓力受實際操作環(huán)境影響，難以控制，且增大壓力值會導(dǎo)致蒸汽噴射器效率下降，一般不用這種方法改善蒸汽噴射器的工作能力。
(5)噴嘴喉部直徑的變化對蒸汽噴射器工作狀態(tài)具有一定影響。過小的直徑使噴嘴后方的激波變的微弱，引射效果降低，但過大的直徑會產(chǎn)生劇烈的激波，降低有效流通面積，同樣降低噴射系數(shù)。存在一個范圍使蒸汽噴射器具有良好的工作狀態(tài)。
