喷射器二维流场性能与结构的数值分析

论文摘要

喷射器是一种以不同的两股流体相互混合并发生能量交换以形成一股居中压力混合流体的装置,在众多工业领域有着广泛地运用,但是由于流体力学研究的困难以及喷射器内部极为复杂的流场,使得当前对喷射器的理论研究工作和喷射过程的探索还比较缺乏。长期以来喷射器的操作和设计都沿用一维理论,但是由于喷射器的三维结构和内部特殊的物理现象,这使得当前的一维方法不能为优化喷射器的工作条件和改进结构提供足够的理论依据。本文借助大型流体分析软件FLUENT、用计算流体力学(CFD)的方法,实现了对蒸汽喷射器内部二维流场的数值模拟,详细探讨了喷射器的工作工程,特别对用CFD方法对实现喷射器数值模拟过程进行了全面的介绍与分析,对计算流体力学的基本思想、控制方程及其离散化、区域离散、湍流方程、离散方程的求解等CFD方法中的重要内容进行了阐述。对模拟结果深入分析,详细观察了喷射器内部的流动和特殊现象,透彻研究各因素尤其是工作蒸汽、引射蒸汽和出口蒸汽压力对内部流场、激波生成和喷射器性能的影响,并分析了原因。结果表明:提高工作流体压力并不总能提高喷射系数,一味提高其压力甚至还会引起工况的恶化,出口压力对喷射的性能有着重要的影响,喷射器只能在一定的背压下工作,超出背压后喷射器的性能急剧下降,喷射系数迅速降低。除了工作参数对喷射器的性能有影响外,喷射器结构的优化同样对提高性能具有决定性的作用,已有的喷射器设计都是以在一维等熵假设基础上得到的半经验公式为指导的,这种方法可以预测喷射器的总体特性,但没有具体考虑喷射器各部分结构对喷射器性能产生的影响。为了解决这一问题,本文采用求解二维控制方程以模拟喷射器的内部流动,获得喷射器内部各参数的流场分布,同时充分利用数值模拟的灵活性、可重复性、低成本等优势,不断调整喷射器的各部分的结构形状、尺寸,对喷射器内部流场进行模拟计算并分析了结果,得出喷射器各部分结构对喷射器性能的影响规律。研究结果证明,改善喷射器的结构是提高喷射器效率的一个重要途径。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 1 绪论
• 1.1 喷射器的工作原理
• 1.1.1 喷射器的主要工作过程
• 1.1.2 蒸汽喷射器的热力学过程
• 1.1.3 描绘喷射器的三个定律
• 1.2 喷射器的分类与应用
• 1.2.1 喷射器的分类
• 1.2.2 各种喷射器的应用
• 1.3 喷射器研究的发展状况
• 1.3.1 喷射器的理论研究进展
• 1.3.2 喷射器结构的研究进展
• 1.4 喷射器在锅炉排污水回收中的应用
• 1.4.1 回收锅炉排污水的意义
• 1.4.2 喷射器用于锅炉排污水的回收方案
• 1.5 本文主要研究内容
• 2 喷射器数值模拟过程的建立
• 2.1 计算流体力学概述
• 2.1.1 计算流体力学的基本概念及与其他方法的比较
• 2.1.2 计算流体力学的工作步骤
• 2.1.3 计算流体力学的特点
• 2.2 流体力学控制方程
• 2.2.1 质量守恒方程
• 2.2.2 动量守恒方程
• 2.2.3 能量守恒方程
• 2.2.4 控制方程的通用形式
• 2.3 湍流模型的建立
• 2.3.1 湍流流动的特征
• 2.3.2 湍流的基本方程
• 2.3.3 Reynolds 应力的假设模型
• 2.3.4 标准k? ε模型
• 2.4 计算区域的离散
• 2.4.1 离散化概述
• 2.4.2 有限体积法及其网格
• 2.5 二维离散方程的建立与求解
• 2.5.1 二维问题的基本方程
• 2.5.2 二维问题控制方程的积分
• 2.5.3 二维问题的离散方程
• 2.5.4 离散方程的求解
• 2.6 小结
• 3 喷射器流场及性能的数值分析
• 3.1 内部流场分布及特点分析
• 3.1.1 速度分布
• 3.1.2 压力分布
• 3.1.3 温度、密度分布
• 3.2 内部激波现象分析
• 3.2.1 喷嘴出口斜激波现象
• 3.2.2 扩压室激波现象
• 3.3 喷射器的变工况特性
• 3.3.1 混和蒸汽压力的影响
• 3.3.2 工作蒸汽的影响
• 3.3.3 引射蒸汽的影响
• 3.4 小结
• 4 喷射器结构对性能的影响分析
• 4.1 缩放喷嘴结构对喷射器性能的影响
• 4.1.1 喷嘴径向尺寸的影响
• 4.1.2 喷嘴轴向尺寸的影响
• 4.2 喷嘴位置对喷射器性能的影响
• 4.3 混合室结构对喷射器性能的影响
• 4.3.1 混合室直径对性能的影响
• 4.3.2 混合室长度的影响
• 4.4 吸收室结构对喷射器性能的影响
• 4.4.1 吸收室长度对性能的影响
• 4.4.2 吸收室入口面积对性能的影响
• 4.5 扩压室结构对喷射器性能的影响
• 4.5.1 扩压室长度对性能的影响
• 4.5.2 扩压室出口面积对性能的影响
• 4.6 小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 研究生期间发表的论文
• 致谢