三喷嘴蒸汽喷射泵的三维数值模拟研究及分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)河北工业大学 作者:王俏

  蒸汽喷射泵的操作工况在偏离设计值时,喷射性能会严重恶化。本文借助连续介质力学数值模拟工具-STARCCM+ ,对三喷嘴蒸汽喷射泵内部流场进行了三维数值模拟。分析了操作参数( 背压、工作蒸汽压力和引射蒸汽压力) 对其喷射系数的影响,并与相同工况下单喷嘴蒸汽喷射泵进行对比。此外,对三喷嘴蒸汽喷射泵的结构参数( 喷嘴轴线的汇交点位置) 进行了考察。结果表明,在工作蒸汽变工况操作条件下,三喷嘴蒸汽喷射泵能够保持稳定、可靠运行; 在相同工况下,三喷嘴蒸汽喷射泵的临界背压值小于单喷嘴。在多喷嘴蒸汽喷射泵的设计中,各喷嘴轴线的汇交点位置存在一最佳值。

  蒸汽喷射泵是一种以蒸汽作为工质,通过射流紊乱扩散,实现高压蒸汽抽吸低压蒸汽的装置。该装置能将两种不同压力等级的蒸汽进行混合,通过能量交换、传递,形成一种居中压力的蒸汽,还可以实现抽吸真空、制冷以及输运流体等目的。由于其结构简单、没有运动部件、不直接消耗机械能等优点,在动力、化工、制冷、冶金、轻工等领域得到了广泛的应用,其中热泵蒸发系统和蒸汽喷射式制冷系统是其热门的应用领域。蒸汽喷射式热泵蒸发系统如图1 所示,是将蒸发器产生的低压二次蒸汽通过蒸汽喷射泵升压后重新加以利用。而蒸汽喷射式制冷系统是可能代替现有制冷系统的非常有前景的技术,该系统能够利用环保类的制冷剂、可再生能源和低品位的废热热源,因此得到越来越多的关注和研究。蒸汽喷射式制冷系统如图2 所示,高压工作蒸汽通过喷射泵对低压蒸汽进行抽气、压缩作用,使制冷剂(水) 通过蒸发器吸收冷水热量后变为低压水蒸气后又被喷射泵抽走,冷水因失去热量而温度下降,因此产生制冷效果。

三喷嘴蒸汽喷射泵的三维数值模拟研究及分析

图1 热泵蒸发系统示意图

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图2 蒸汽喷射式制冷循环示意图

  喷射泵作为热泵蒸发系统和喷射式制冷系统的关键装置,其性能的好坏对系统效率有着决定性作用。尽管蒸汽喷射泵在实际生产中应用广泛,但由于其内部超音速流场的复杂性,如激波、分离涡、粘性干扰等现象的出现,使得迄今为止,对其理论研究还不够深入。计算流体力学(CFD) 数值模拟技术的出现,为研究和分析喷射泵内部流场提供了有效工具。

  近年来,国内外许多学者对喷射泵进行了大量的研究,Kanjanapon Chunnanond 等通过实验分析了喷射泵内部压力的分布,Natthawut Ruangtrakoon 等通过实验研究了喷嘴尺寸对喷射泵工作性能的影响,Dong 等,岳向吉等通过数值模拟的手段研究了喷射泵内的流场状态,王晓冬和王维娜则利用CFD 建模计算手段对RH 真空脱气过程流场进行了研究、预测,这些结论都可以为研究蒸汽喷射泵流场提供参照依据。但以上多数研究针对的是单喷嘴结构的蒸汽喷射泵,由于多喷嘴蒸汽喷射泵内部流场比单喷嘴的更复杂,因此至今对多喷嘴结构蒸汽喷射泵很少涉猎。而传统的单喷嘴蒸汽喷射泵的操作工况在偏离设计值时,喷射性能会严重恶化。因此,本文立足于多喷嘴结构形式的蒸汽喷射泵,以典型的三喷嘴结构为研究对象,分别从操作工况和几何结构两方面,对多喷嘴蒸汽喷射泵性能影响因素进行研究,为设计高性能且稳定可靠的多喷嘴蒸汽喷射泵提供理论基础。为摆脱二维模型太过简化的缺点,避免流场的失真,本文将采用新一代CFD求解器-STAR-CCM +5.06.007 软件对三喷嘴蒸汽喷射泵进行三维数值模拟研究。

1、数值模拟方法

  1.1、几何模型

  以某厂一台三喷嘴蒸汽喷射泵为例进行计算,其几何结构的二维示意图如图3 所示,主要由喷嘴、接受室、混合室及扩压室4 部分组成,主要尺寸见表1。利用三维绘图软件solidworks 对其进行几何绘制,并保存为stl 格式文件。

三喷嘴蒸汽喷射泵的三维数值模拟研究及分析

图3 多喷嘴蒸汽喷射泵结构示意图

表1 三喷嘴蒸汽喷射泵主要尺寸

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  1.2、网格划分

  将上述Stl 格式文件导入STAR-CCM + 中,根据蒸汽喷射泵模型的特点,采用计算精度较高的Trimmed 网格,如图4 所示,另外为了保证模型局部的计算精度以及网格数量过多影响计算速度,对喷嘴和混合室部分进行适当加密。以Wall Y + 数值为检验边界层尺寸是否设置合适为标准,得到符合此模型的最佳边界层尺寸。由于蒸汽喷射泵的结构属于对称结构,为了节省计算时间与计算机资源,本文将模型的一半作为研究对象进行模拟计算,得到的CFD 模型的计算域和网格如图4 所示。

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图4 三喷嘴蒸汽喷射泵CFD 模型的计算域和网格

  1.3、边界条件

  蒸汽喷射泵的工作蒸汽进口、引射蒸汽进口,模拟时均采用压力入口边界,给定滞止压力、温度及适当的湍流条件;混合流体出口,采用压力出口边界,给定静压及适当的回流条件;固体壁面采用无滑移、无渗流、绝热边界。流体介质的密度按理想气体计算,物理参数为等效温度下的常量,设备的设计参数见表2。

表2 三喷嘴蒸汽喷射泵的设计参数

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  1.4、计算模型

  采用有限体积法,在控制方程Reynolds-Averaged Navier-Stokes 的基础上,选择Standard K-ε 湍流模型对其流场进行求解,近壁面处采用壁面函数模型High y + Wall Treatment 对其进行修正。选用隐式耦合求解器Coupled Solver 求解方程,在计算迭代过程中通过调节库朗数Courant number 来保证计算的收敛。工质设置为水蒸汽,由于内部的流动为跨音速流动,最大速度为超音速,为可压缩气体,密度采用理想气体法处理。模拟计算是否收敛则根据残差图、监测进出口流量、喷射系数曲线、质量守恒综合判定。

  1.5、衡量蒸汽喷射泵性能的参数

  喷射系数( entrainment ratio) u 是引射流体的质量流量GH与工作流体的质量流量GP之比(u = GH /GP) ,表示一定工况下,单位工作蒸汽所能抽吸引射蒸汽能力的大小,是衡量蒸汽喷射泵工作性能的重要指标之一。在本模拟结果中,将其作为重要的参考标准。

  1.6、收敛判据

  (1) 各变量(速度、压力、湍流动能等) 的残差达到10-4以下;

  (2) 质量流量稳定,即喷射系数u 数值稳定。

  1.7、模型验证

  利用上述方法,对文献实验的蒸汽喷射泵设置参数(pP = 0.45 ~0.6 MPa,p H = 0.0435 MPa,蒸发温度为10℃) 进行模拟。如图5 所示模拟值与实验值的误差均在7% 以内,因此本文选用的模拟方法能够较好地研究三喷嘴蒸汽喷射泵的喷射性能。

三喷嘴蒸汽喷射泵的三维数值模拟研究及分析

图5 模拟值与实验值对比

3、结论

  通过对三喷嘴与单喷嘴蒸汽喷射泵的三维数值模拟研究,得出以下结论:

  (1) 相同工况下,三喷嘴蒸汽喷射泵内的临界背压值p*C比单喷嘴的小。

  (2) 三喷嘴蒸汽喷射泵引射蒸汽压力越小,对应临界背压值p*C也越小。

  (3) 在工作蒸汽压力一定的变化范围内,三喷嘴蒸汽喷射泵能维持稳定的喷射系数,运行可靠。

  (4) 蒸汽喷射泵喷射系数随引射蒸汽压力的增大而增大;背压值越小,在一定范围内喷射系数随引射蒸汽压力增长的幅度也越小。

  (5) 多喷嘴蒸汽喷射泵内各喷嘴的轴线交点位置x 存在一最佳值,本文中三喷嘴蒸汽喷射泵的最佳汇点位置为x = 210 mm 处,处于混合室收缩段的中间。

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