蒸汽喷射器的三维数值模拟研究

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

  借助STAR-CCM+软件对热泵蒸发系统中的核心部件蒸汽喷射器进行了三维数值模拟,采用有限体积法离散控制方程,标准k-ε湍流模型,近壁面处使用壁面函数修正。考察并分析了工作蒸汽、引射蒸汽压力及喷嘴喉部直径对蒸汽喷射器的工作状态及内部流场状态的影响,采用速度云图和压力云图来解释喷射器内的混合情况,得到了针对此尺寸的蒸汽喷射器的最佳操作参数。数值计算结果表明,通过计算流体力学数值模拟找到工作蒸汽压力和喷嘴喉部直径的最佳值,使得蒸汽喷射器的喷射系数达到最大,从而起到节能作用。

  蒸发过程是生物化工生产中常见的工艺过程,传统的蒸发过程中,大量含能的二次蒸汽得不到利用,能量损失严重。采用蒸汽喷式射热泵系统对二次蒸汽进行回收利用可达到很好的节能效果。蒸汽喷射式热泵蒸发系统如图1,高温高压蒸汽作为工作流体通过喷射器喷嘴,形成高速射流,在喷嘴口形成负压,将二次蒸汽卷吸带入,两股流体在混合室混合,发生能量交换,在扩散器进行扩压、升压,形成一股具有较高压力的蒸汽,流回蒸发器加热室。蒸汽喷射器是蒸汽喷射式热泵系统的核心装置。蒸汽喷射器具有以下优点:没有动力部件,不直接消耗机械能;成本低廉,便于维修;结构简单,操作简便;运行平稳,寿命较长;具有显著的节能效果。因此,蒸汽喷射器在化工、制药、石油、生物、制冷、能源、海水淡化等多种工业领域都有广泛应用。

  由于喷射器内部流体存在激波、粘性干扰、涡流等复杂的流动,对其流场特性的研究还不够全面,对蒸汽喷射器的研究有待深入。很多学者通过实验对蒸汽喷射器进行研究,Kanjanapon Chunnanond等通过实验分析了喷射器内部的压力分布;Natthawut Ruangtrakoon等由实验得出工作喷嘴尺寸对喷射器工作状态的影响。然而由于实验会受到模型尺寸、测量精度的限制,很难快速得到整个流场的参数结果。随着计算流体力学(CFD)技术的发展,许多学者使用CFD方法研究流场问题,并验证了采用此方法研究蒸汽喷射器的工作状态,可以作为实际工程的参照依据。为了摆脱一维、二维模型太过简化的缺点,避免流场的失真,本文采用STAR-CCM+软件对蒸汽喷射器的三维模型进行模拟研究。

热泵蒸发系统示意图

图1 热泵蒸发系统示意图

1、喷射器的数值模拟

  1.1、结构尺寸及网格模型

  典型的蒸汽喷射器结构如图2所示,主要由工作喷嘴、接受室、混合室及扩散器四部分构成。以某厂热泵蒸发系统中的蒸汽喷射器为例进行模拟,其尺寸见表1。

蒸汽喷射器结构简图

图2 蒸汽喷射器结构简图

  由于蒸汽喷射器为对称结构,为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。将几何模型导入STAR-CCM+5.06.007中进行网格划分,选择六面体为核心的切割体网格,为既避免网格粗大造成误差,也避免网格数量过多影响计算速度,在必要的地方进行局部加密。以WallY+值为标准,检验边界层尺寸是否设置合适,得到最佳边界层尺寸。为使计算结果不受网格影响,设置不同网格基准尺寸、加密区域与加密尺寸,通过多次模拟得到网格无关解。最终得到的体网格模型的如图3所示。

表1 蒸汽喷射器结构尺寸

蒸汽喷射器结构尺寸

蒸汽喷射器体网格模型

图3 蒸汽喷射器体网格模型

3、结论

  (1)相对实验,CFD技术可以得到一个直观的内流场状态,并可通过云图对蒸汽喷射器的工作状态进行合理解释;这种方法成本低廉,可以任意改变操作参数与结构参数,进而可以进行更多的研究工作,对提高蒸汽喷射器工作能力具有重要意义。

  (2)工作蒸汽由喷嘴喷出后速度以激波的形式呈振荡衰减,并非均匀减小;压力也非单一不变,而是经过一系列的振荡最终达到背压。

  (3)工作蒸汽压力对蒸汽喷射器具有一定影响,随工作压力增大,喷射系数变大,但是存在一个最佳工况参数使喷射系数达到最大,超过这个临界值后喷射系数反而变小。可以通过数值模拟找到最佳值,从而起到节能作用。

  (4)增加引射压力可使喷射系数变大,但由于此压力受实际操作环境影响,难以控制,且增大压力值会导致蒸汽喷射器效率下降,一般不用这种方法改善蒸汽喷射器的工作能力。

  (5)喷嘴喉部直径的变化对蒸汽喷射器工作状态具有一定影响。过小的直径使喷嘴后方的激波变的微弱,引射效果降低,但过大的直径会产生剧烈的激波,降低有效流通面积,同样降低喷射系数。存在一个范围使蒸汽喷射器具有良好的工作状态。

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