水蒸气喷射泵混合室内边界层脱离现象的计算流体力学研究
为了深入了解水蒸气喷射泵内流场结构,采用物理模型,在保持其他条件不变情况下,采用计算流体力学模拟得到不同背压下喷射泵内部压力分布图和混合室内迹线图,模拟结果与实验数据有较好的一致性。通过分析迹线图中的边界层脱离现象和压力分布图中压力的关系,得出高压力梯度作用导致了引射流体边界层分离,而边界层分离后导致有效区减小,造成引射系数急剧下降。
自从1910 年Maurice Leblanc 制成第一个水蒸气喷射制冷系统以来,水蒸气喷射制冷系统已经提出了很长一段时间,由于其制冷效率比较低,一直未受到足够重视,发展一度受阻。随着自然资源匮乏、环境污染严重等问题的日益凸显,水蒸气喷射制冷系统再度受到研究人员的青睐。因为它仅使用价格低廉的工业废热或完全免费的太阳能等低品质的热源作为动力,且工作介质为水———最环保的制冷剂,对环境完全无害。
作为整个制冷系统的核心,喷射泵具有结构简单,无任何回转部件,运行过程无任何磨损,使用寿命长,维护费用低等优点,但其内部流动十分复杂,包括亚音速、超音速流动,因此,对喷射泵内部流动结构的了解是很有必要的。
传统实验方法在流场可视化和数据采集方面受到很大限制,而采用计算流体力学(CFD) 手段则能很好的解决这些问题 ,因此被越来越多的人所采用,并且在喷射泵研究领域得到应用。喷射泵结构和对应轴线压力、速度分布如图1 。工作蒸汽通过拉瓦尔喷管后获得超音速气流,喷出喷管后在其周围产生一低压区,压力值低于蒸发器内压力,在压差驱动下,蒸发器内水蒸气被抽入吸入室,在粘性力作用下,两股流体在混合室内混合,经喉部、扩压器排出。
图1 喷射泵及内部压力、速度分布曲线
不同背压下喷射泵引射系数曲线见图2 ,将喷射泵工况大致为三部分———临界状态、次临界状态、回流状态。当背压低于临界值时,在其他条件不变情况下,引射系数不受背压影响,保持恒定值;而当背压大于临界值后,抽气率随背压升高急剧下降,很快出现返流。
图2 喷射泵抽气特性曲线
3、结论
(1) 采用CFD 手段对水蒸汽喷射泵流场模拟很好地捕获了混合式内部的流动结构,能够为分析和理解喷射泵性能提供帮助。
(2) 当背压大于临界背压值时,由于高的压力梯度导致混合室内出现边界层脱离,形成的漩涡减小了吸入引射流体的有效区,使泵性能急剧下降。
(3) 随着背压的进一步增大,漩涡区域进一步扩展,形成返流。
上述研究结果表明,喷射泵工况必须保持在临界状态下,才能保证其正常稳定工作。
