基于計算流體力學(xué)模擬的蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)優(yōu)化探究

成泓達(dá) 伍朝暉*

四川省綿陽市東辰國際學(xué)校 621000

基于計算流體力學(xué)模擬的蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)優(yōu)化探究

成泓達(dá) 伍朝暉*

四川省綿陽市東辰國際學(xué)校 621000

一般采用氣體動力學(xué)或一維理論方法進(jìn)行蒸汽噴射器的設(shè)計和分析，然后采用這些方法得到的幾何結(jié)構(gòu)不是最為理想的。本文針對余熱回收的蒸汽噴射器內(nèi)部流場采用計算流體力學(xué)方法模擬數(shù)值，就各種因素對噴射系數(shù)的影響進(jìn)行分析，包括噴嘴喉部直徑、等截面段直徑以及混合室入口直徑等，接著憑借正交分析法的采用對噴射器多結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化進(jìn)行分析，表明采用正交分析法得到的噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，可以促使噴射器性能得到提高。

蒸汽噴射器；數(shù)值模擬；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；正交分析

噴射器是一種混合升壓設(shè)備，其結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，并且便于操作，主要能夠憑借高壓流體這一動力，噴射器吸進(jìn)低壓流體進(jìn)行混合升壓，得到壓力適中的混合流體。噴射器能夠?qū)崿F(xiàn)余熱蒸汽的二次利用。噴射器結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮工作性質(zhì)以及工作狀態(tài)條件，需要采用不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此其設(shè)計具有較高的復(fù)雜性。以往采用的簡化設(shè)計方法，往往容易導(dǎo)致設(shè)計出的噴射器結(jié)構(gòu)不滿足實際要求，所以，有必要優(yōu)化噴射器結(jié)構(gòu)的設(shè)計，采用計算流體力學(xué)的方法，使噴射器結(jié)構(gòu)設(shè)計更加精確。

一、蒸汽噴射器設(shè)計和模擬

選定噴射系數(shù)這一重要的性能指標(biāo)作為評價指標(biāo)。本設(shè)計中需要回收利用的低壓蒸汽壓力為0.17MPa，混合蒸汽壓力至少應(yīng)為0.42MPa，工作蒸汽采用高達(dá)1.10MPa的蒸汽，上述都是飽和蒸汽，采用氣體動力學(xué)函數(shù)法設(shè)計的噴射器結(jié)構(gòu)尺寸具體如圖1所示。

因為噴射器二維軸對稱結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)結(jié)果比較相符，所以數(shù)值求解采用二維軸對稱結(jié)構(gòu)。和工作流體的速度進(jìn)行比較，引射流體的入口速度明顯更慢，因此可對引射流體的側(cè)向入口進(jìn)行簡化，得到軸向環(huán)形入口。進(jìn)出口的邊界條件采用壓力邊界條件，同時蒸汽假定為理想狀態(tài)，噴射器壁面不發(fā)生熱傳導(dǎo)并且穩(wěn)固，且使用ICEM劃分網(wǎng)格同時網(wǎng)格加密邊界層與壁面處。如果各變量的迭代殘差在10-6以下，并且進(jìn)出口的質(zhì)量流量不發(fā)生變化，則表示已經(jīng)完成求解。本文采用Flunent14.0軟件分析數(shù)值，對模型進(jìn)行網(wǎng)格的獨(dú)立性分析確保網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)值正確的格式。同時結(jié)合有關(guān)學(xué)者試驗得出的數(shù)據(jù)和操作條件，驗證湍流模型，證明了該模擬過程的可行性。

二、單參數(shù)敏感度分析

根據(jù)有關(guān)資料，得知以下因素對噴射器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響最大，例如混合室入口直徑、等截面長度以及面積比等。這里對噴嘴喉部直徑和等截面段直徑這兩個參數(shù)進(jìn)行研究，分析其對噴射系數(shù)產(chǎn)生的影響。研究表明，噴嘴喉部從小變大過程中，引射蒸汽質(zhì)量流量和噴射系數(shù)先增后減，工作蒸汽質(zhì)量流量則呈現(xiàn)不斷增大的趨勢。等截面段直徑增大，噴射系數(shù)先增后減。這是因為本文中等截面段直徑等于75.5mm情況下，噴射系數(shù)達(dá)到臨界值0.23，等截面段直徑逐漸增大，引射蒸汽的流量和噴射系數(shù)發(fā)生相同的變化，工作蒸汽的流量與狀態(tài)保持不變，也就是混合室內(nèi)主流核心區(qū)不發(fā)生變化，因此在引射蒸汽有效面積增大的過程中，噴射系統(tǒng)隨之增大，根據(jù)能量守恒原理，引射流體速度將達(dá)到極限，也就是噴射器處于亞臨界狀態(tài)，噴射系數(shù)開始減小。

三、正交分析

采用正交分析法分析噴嘴喉部直徑、混合室入口直徑、等截面段直徑、NXP以及等截面段長度等因素。排除因素間的相互作用，各因素取5水平，使用L25（56）正交表進(jìn)行分析。如圖2所示為各因素和水平的選取，通過正交表的設(shè)計，經(jīng)過25次數(shù)值模擬試驗得到噴射系數(shù)的最大值。

取各因素下噴射系數(shù)的平均值，使用極差分析法對各因素的最佳水平進(jìn)行分析，得出水平3是噴嘴喉部直徑的最佳水平，采用相同的方法得出其他因素的最佳水平，得到各因素最佳水平的最優(yōu)組合。在Fluent中取各因素的最佳水平值進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得出噴射系數(shù)值0.24，也就是正交分析法下最佳噴射系數(shù)。各因素下水平均值的變化，發(fā)現(xiàn)混合室入口直徑的增大，將導(dǎo)致噴射系數(shù)發(fā)生先增再減后不變的變化。而其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的增大，噴射系數(shù)發(fā)生先增后減的變化。根據(jù)正交試驗結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)等截面段直徑對噴射系數(shù)產(chǎn)生的影響最大，噴嘴喉部直徑以及混合室入口直徑對噴射系數(shù)產(chǎn)生的影響最小。因此，面積比保持不變的情況下，分別對等截面段直徑或者噴嘴喉部直徑進(jìn)行改變，能夠?qū)娚淦鞯男阅墚a(chǎn)生不同的影響。分析比較正交試驗分析法的結(jié)果和單一結(jié)構(gòu)參數(shù)變量分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果存在一定差異。而單個結(jié)構(gòu)參數(shù)變量分析未考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對蒸汽噴射器內(nèi)部流動現(xiàn)象的影響。而正交分析法得到各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時噴射系數(shù)所發(fā)生的變化，采用極差分析的方法能夠得到各結(jié)構(gòu)因素下最優(yōu)水平的組合，得出噴射系數(shù)的最大值。方差分析法的利用，也可使各結(jié)構(gòu)變化對噴射系數(shù)產(chǎn)生的具體影響得到明確，這是一維理論計算方法和單一變量分析法所不能比的。

四、結(jié)論

根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噴射系數(shù)隨噴嘴喉部直徑、等截面段直徑、混合室入口直徑以及噴嘴出口與混合室入口的距離的增大出現(xiàn)先增后減的變化，而隨等截面段長度的增大先增再減最后逐漸穩(wěn)定。

根據(jù)正交分析得出，噴嘴喉部直徑為39.5mm，混合室入口直徑為82mm，等截面段直徑為73mm，噴嘴出口與混合室入口的距離為0，等截面段長度為414mm時，蒸汽噴射器的噴射系數(shù)最大，性能最佳。

雖然面積比在噴射器設(shè)計參數(shù)中比較重要，但是噴嘴喉部直徑和等截面段直徑產(chǎn)生的影響不同，等截面段直徑的影響更大，對兩者分別進(jìn)行改變使其達(dá)到相同面積比，發(fā)現(xiàn)噴射器的性能差異明顯。

噴射器的結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)過優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)噴射系數(shù)達(dá)到0.24，表明正交性試驗法用于噴射器結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化可行，并且和單結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法相比，正交性試驗法能夠取得更好的優(yōu)化效果。

(通訊作者：伍朝暉)

[1]樊盼盼.噴射器內(nèi)部流動特性建模分析研究[D].東南大學(xué),2015.

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[4]李宇.新型噴嘴結(jié)構(gòu)蒸汽噴射器性能的三維數(shù)值研究[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2014,05:19-22+5-6.

[5]王立慧,趙龍,張學(xué)建,張裕中.基于CFD數(shù)值模擬的蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)研究[J].化工進(jìn)展,2013,12:2852-2858.