超音速喷射器热力学模型构造研究

发布时间：2020-11-17 18:40

　　 超音速喷射器具有结构简单、成本低廉、使用寿命长、维护费用低等优点,广泛用于制冷、海水淡化、燃料电池等系统。由于独特的气体增压方式,超音速喷射器被认为是系统的核心部件之一。超音速喷射器热力学模型是系统分析、优化和控制的基础。因此,研究超音速喷射器热力学模型构造问题,具有重要的理论意义和应用价值。在超音速喷射器内部,存在气体跨音速流动、高强度湍流、激波、流体混合等复杂现象,其内在机理非常复杂。同时,在不同系统中,工作介质也存在较大差异,进一步加大了喷射器热力学模型的构造难度。超音速喷射器热力学模型的研究已经有近80年的历史,但仍然存在对部件效率研究不充分、模型结构较复杂、次临界状态下性能计算精度较低、“湿流体”冷凝现象研究不足等问题,亟需展开深入研究。针对上述问题,本文从数值仿真和理论推导两方面研究了超音速喷射器热力学模型的构造问题,主要工作包括:基于CFD仿真技术,得到超音速喷射器喉嘴比对部件效率的影响规律。以用于低温多效蒸馏海水淡化系统的水蒸汽超音速喷射器为例,介绍了 CFD仿真过程中网格划分、控制方程选择、模型验证、参数处理等关键步骤。通过改变一次流喷嘴喉部和等面积混合室入口面积,设计了两组具有不同喉嘴比的超音速喷射器。基于仿真结果,分析了喷射器喉嘴比、部件效率和流场分布三者之间的内在联系,并给出了水蒸汽超音速喷射器在设定工况下的部件效率经验公式。构造面向控制的超音速喷射器临界状态热力学简化模型。基于热力学基本定律和理想气体模型,给出了超音速喷射器在临界状态下引射比和临界背压的数学表达式。通过参数集总,该表达式被简化为具有四个未知参数的线性方程组。具有不同结构、介质和运行工况的超音速喷射器实验数据用于验证模型的有效性。结果表明该模型可有效计算喷射器临界状态性能。同时,与现有喷射器热力学模型相比,该模型具有结构简单、参数辨识容易、计算精度高等优点。建立超音速喷射器全工况热力学模型。与传统一维喷射器热力学模型不同,该模型考虑了二次流在壅塞处径向速度分布不的问题。超音速喷射器次临界状态性能计算的前提是获得喷射器在临界状态下的混合压力。对于临界状态,该模型假设混合过程发生在等面积混合室内。同时,假设混合压力介于二次流入口压力和壅塞压力之间。基于“临界圆”模型,使用指数表达式近似表示二次流在壅塞处径向速度分布,从而获得引射比、临界背压和混合压力值。对于次临界状态,该模型基于等面积混合假设。通过改变混合压力,求得超音速喷射器在次临界状态下引射比和工作背压的对应关系。建立超音速喷射器真实气体热力学模型,并研究了在不同“湿流体”下超音速喷射器入口过热度对喷射器内部冷凝现象、引射比和临界背压的影响。通过仿真计算,得到超音速喷射器在各截面处流体冷凝程度随一次流及二次流入口过热度的变化规律。研究表明,冷凝现象在喷射器内部普遍存在。但是对于不同工质,喷射器内部冷凝程度也不尽相同。同时,通过提高入口蒸汽过热度,可以有效的降低流体冷凝程度。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP391.9;O354.3
【部分图文】：

在喷射式制冷系统中，超音速喷射器长度在１０至３０厘米之间［３９４１］，然而海??水淡化系统用于热压缩的超音速喷射器长度则大于１米［４２４４］。虽然超音速喷射器??几何尺寸在不同的应用场景中存在差异，但是喷射器内部结构是相似的。图１．１??为超音速喷射器内部结构示意图。超音速喷射器由一次流喷嘴、吸入室、混合室??和扩散室组成。当气体速度为亚音速时，气体流经渐缩喷嘴时速度增加，而气体??流经渐扩喷嘴时速度减小。对于超音速气体，情况则恰恰相反。超音速气体在渐??缩喷嘴中减速而在渐扩喷嘴中加速。超音速喷射器正是利用了这一原理。超音速??喷射器一次流喷嘴为渐缩－渐扩结构。因此在一次流喷嘴内部，一次流不断加速??至超音速。气体在不断加速的过程中，其压力也在持续降低。因此，在一次流喷??嘴出口处会出现一处压力较低的区域。该低压区域将二次流抽吸到喷射器内部。??在混合室内，一次流和二次流完成混合过程。在经过一系列激波后，混合流体压??力升高，速度降低。在扩散室前端，混合流体速度降为亚音速。在扩散室内，混??合流体完成再压缩过程。??吸入室?混合室?扩散室?????

?（Ｌ２）??其中为一次流质量流率，屯为二次流质量流率。??如图１．４所示，超音速喷射器工作状态可以分为临界状态、次临界状态和回??流状态三种［Ｍ］。在临界状态下，一次流和二次流均处于壅塞状态。因此当工作??背压增加时，喷射器引射比保持恒定。该现象又被称为“双壅塞现象”?［３］。当喷??射器工作在次临界状态下时，较大的工作背压影响了一次流和二次流的混合过程。??这时，一次流仍处于壅塞状态，但是二次流已不再处于壅塞状态。提高工作背压，??二次流质量流率减少，而喷射器引射比则会降低。工作背压继续增加，二次流会??出现回流现象，这时喷射器失去引射作用。如图１．４所示，临界背压和回流背压??是判断超音速喷射器工作状态的重要参数。??临界状态下，超音速喷射器引射比要高于其他状态下的引射比。因此，在实??际系统中

海水脱盐［５４￣５５］。本文以热压缩－低温三效蒸馏海水淡化系统为例，简要介绍该淡??化技术的基本原理。??如图１．６所示，该海水淡化系统主要由超音速喷射器、降温器、蒸发器和冷??凝器组成。该系统含有三个蒸发器，故被称为三效蒸馏海水淡化系统。高温高压??水蒸汽通过超音速喷射器经降温器进入首效蒸发器内。为了提高换热效率，蒸发??器为横管降膜蒸发器。海水经喷淋装置后被均匀喷洒到水平横管上。在横管内部??则为通入的高温水蒸汽。因此海水在管外蒸发，水蒸气在管内冷凝。在蒸发器横??管外产生的水蒸汽作为热源被送入到下一效蒸发器的横管内，而蒸发器横管内冷??凝的淡水则被直接收集。在下一效蒸发器内，会发生相似的换热过程。值得注意??的是，超音速喷射器会引射末效蒸发器产生的部分水蒸气。这增加了进入首效蒸??发器的蒸汽量，提高了系统的能源使用效率。由于该部分蒸汽压力经喷射器后得??到明
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本文编号：2887794