水蒸气喷射泵内部湿蒸汽两相流动的数值模拟

论文摘要

水蒸气喷射制冷系统有许多优点,比如结构简单、使用寿命长、易维护、工作稳定可靠、可以抽出含有粉尘、有腐蚀性介质的气体以及抽气量大等。作为该系统的核心部分——水蒸气喷射泵,在日益提倡环保节能的当今社会,更应得到深入的研究。由于在LAVAL喷嘴以及混合室内伴随着有变相和传热过程的湿蒸汽两相非平衡流动,其流动机理远远比单相流动复杂。然而目前大多学者仅利用理想气体模型对其内部流动进行模拟,在预测和评估喷射泵实际工作性能时,与实际存在明显差别。本文采用数值方法,借助ANSYS FLUENT12.1软件平台,研究水蒸气喷射泵中高速膨胀流动中的气液相变,自发凝结现象及其对泵性能的影响。本文主要研究工作：(1)建立考虑湿蒸汽自发凝结的喷嘴内部跨音速流动数学模型,对喷射泵LAVAL喷嘴内部流动进行数值模拟,并与已知实验数据比较,验证数值模拟的正确性。(2)研究湿蒸汽非平衡两相凝结流动中流动区域的划分,以及凝结冲波与压缩激波各自的产生机理,探索减少蒸气凝结的方法。(3)分析喷嘴工作蒸气参数、几何参数对其中自发凝结产生的重要影响。(4)对比喷射泵内两相流以及单相流流场的结构特点、分析造成二者引射性能不同的原因,以及操作参数和几何参数对喷射泵内湿蒸汽两相流的影响,从流场结构变化的角度分析其与泵性能高低的关系。本文研究工作表明：考虑湿蒸汽自发凝结的数值模拟更准确地诠释了泵内部的流场结构分布情况,泵内自发凝结产生的过饱和损失确实对泵的性能产生的一定的影响,但是工作蒸气的压力、泵的背压,以及泵几何参数对其性能起到了决定性作用。因此在合理设计这些参数的情况下,增加工作蒸气的过热可减弱蒸气膨胀产生的自发凝结量,减少对被抽气体的引射产生的不利影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 引论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 水蒸气喷射泵研究现状
• 1.3 湿蒸汽两相流动理论及数值研究国内外状况
• 1.4 本文工作
• 第2章 喷射泵内部的湿蒸汽两相流动
• 2.1 水蒸气喷射泵内湿蒸汽流动及其特点
• 2.2 液滴与蒸气之间传质以及湿蒸汽流损失
• 2.3 湿蒸汽流动模型
• 2.3.1 湿蒸汽状态方程
• 2.3.2 液相质量分数传递方程
• 2.3.3 液滴数密度传递方程
• 第3章 CFD数值建模
• 3.1 数值求解平台—FLUENT简介
• 3.2 LAVAL喷嘴以及喷射泵几何建模和网格划分
• 3.3 数值求解方法
• 3.3.1 湍流模型
• 3.3.2 边界条件设定
• 3.3.3 WET STEAM模型设置与求解
• 第4章 LAVAL喷嘴中蒸气凝结流动的数值模拟
• 4.1 数值模拟及模型验证
• 4.1.1 数值求解方法
• 4.1.2 模型验证
• 4.2 喷嘴内湿蒸汽流动区域的划分
• 4.3 湿蒸汽模拟与理想气体模拟结果比较
• 4.4 湿蒸汽LAVAL喷嘴内的凝结冲波和压缩激波
• 第5章 各参数对LAVAL喷嘴内自发凝结的影响
• 5.1 操作参数对自发凝结的影响
• 5.1.1 工作蒸气压力对喷嘴内部流动的影响
• 5.1.2 进口工作蒸气温度对喷嘴内部流动的影响
• 5.2 几何参数对自发凝结的影响
• 5.2.1 出口扩张角度对喷嘴内部流动的影响
• 5.2.2 喉部直径对喷嘴内部流动的影响
• 第6章 水蒸气喷射泵内自发凝结现象的数值模拟
• 6.1 理想气体模型与湿蒸汽模型模拟结果比较
• 6.1.1 基于湿蒸汽模型的数值模拟
• 6.1.2 基于理想气体模型的数值模拟
• 6.1.3 造成二者差异的理论分析
• 6.2 背压对喷射泵内部流场的影响
• 6.3 引射蒸气参数对喷射泵内部流场的影响
• 6.3.1 引射蒸气饱和温度对泵内部流场的影响
• 6.3.2 引射蒸气过热度对泵内部流场的影响
• 6.4 工作蒸气操作参数对喷射泵内部流场的影响
• 6.4.1 工作蒸气饱温度对泵内部流场的影响
• 6.4.2 工作蒸气过热度对泵内部流场的影响
• 6.5 LAVAL喷嘴的改变对喷射泵内部流场的影响
• 6.5.1 LAVAL喷嘴位置对泵内部流场的影响
• 6.5.2 LAVAL喷嘴扩张角对泵内部流场的影响
• 6.6 喉部长度对泵内部流场的影响
• 6.7 混合室渐缩段角度对泵内部流场的影响
• 第7章 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表学术论文