基于计算流体力学模拟的蒸汽喷射器结构优化探究

2016-02-08成泓达伍朝晖

决策与信息 2016年35期

关键词：喉部入口蒸汽

成泓达伍朝晖*

四川省绵阳市东辰国际学校 621000

基于计算流体力学模拟的蒸汽喷射器结构优化探究

成泓达伍朝晖*

四川省绵阳市东辰国际学校 621000

一般采用气体动力学或一维理论方法进行蒸汽喷射器的设计和分析，然后采用这些方法得到的几何结构不是最为理想的。本文针对余热回收的蒸汽喷射器内部流场采用计算流体力学方法模拟数值，就各种因素对喷射系数的影响进行分析，包括喷嘴喉部直径、等截面段直径以及混合室入口直径等，接着凭借正交分析法的采用对喷射器多结构参数的变化进行分析，表明采用正交分析法得到的喷射器结构参数组合，可以促使喷射器性能得到提高。

蒸汽喷射器；数值模拟；结构优化；正交分析

喷射器是一种混合升压设备，其结构不复杂，并且便于操作，主要能够凭借高压流体这一动力，喷射器吸进低压流体进行混合升压，得到压力适中的混合流体。喷射器能够实现余热蒸汽的二次利用。喷射器结构设计需要考虑工作性质以及工作状态条件，需要采用不同的结构参数，因此其设计具有较高的复杂性。以往采用的简化设计方法，往往容易导致设计出的喷射器结构不满足实际要求，所以，有必要优化喷射器结构的设计，采用计算流体力学的方法，使喷射器结构设计更加精确。

一、蒸汽喷射器设计和模拟

选定喷射系数这一重要的性能指标作为评价指标。本设计中需要回收利用的低压蒸汽压力为0.17MPa，混合蒸汽压力至少应为0.42MPa，工作蒸汽采用高达1.10MPa的蒸汽，上述都是饱和蒸汽，采用气体动力学函数法设计的喷射器结构尺寸具体如图1所示。

因为喷射器二维轴对称结构和三维结构结果比较相符，所以数值求解采用二维轴对称结构。和工作流体的速度进行比较，引射流体的入口速度明显更慢，因此可对引射流体的侧向入口进行简化，得到轴向环形入口。进出口的边界条件采用压力边界条件，同时蒸汽假定为理想状态，喷射器壁面不发生热传导并且稳固，且使用ICEM划分网格同时网格加密边界层与壁面处。如果各变量的迭代残差在10-6以下，并且进出口的质量流量不发生变化，则表示已经完成求解。本文采用Flunent14.0软件分析数值，对模型进行网格的独立性分析确保网格质量和数值正确的格式。同时结合有关学者试验得出的数据和操作条件，验证湍流模型，证明了该模拟过程的可行性。

二、单参数敏感度分析

根据有关资料，得知以下因素对喷射器结构产生的影响最大，例如混合室入口直径、等截面长度以及面积比等。这里对喷嘴喉部直径和等截面段直径这两个参数进行研究，分析其对喷射系数产生的影响。研究表明，喷嘴喉部从小变大过程中，引射蒸汽质量流量和喷射系数先增后减，工作蒸汽质量流量则呈现不断增大的趋势。等截面段直径增大，喷射系数先增后减。这是因为本文中等截面段直径等于75.5mm情况下，喷射系数达到临界值0.23，等截面段直径逐渐增大，引射蒸汽的流量和喷射系数发生相同的变化，工作蒸汽的流量与状态保持不变，也就是混合室内主流核心区不发生变化，因此在引射蒸汽有效面积增大的过程中，喷射系统随之增大，根据能量守恒原理，引射流体速度将达到极限，也就是喷射器处于亚临界状态，喷射系数开始减小。

三、正交分析

采用正交分析法分析喷嘴喉部直径、混合室入口直径、等截面段直径、NXP以及等截面段长度等因素。排除因素间的相互作用，各因素取5水平，使用L25（56）正交表进行分析。如图2所示为各因素和水平的选取，通过正交表的设计，经过25次数值模拟试验得到喷射系数的最大值。

取各因素下喷射系数的平均值，使用极差分析法对各因素的最佳水平进行分析，得出水平3是喷嘴喉部直径的最佳水平，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优组合。在Fluent中取各因素的最佳水平值进行数值模拟计算，得出喷射系数值0.24，也就是正交分析法下最佳喷射系数。各因素下水平均值的变化，发现混合室入口直径的增大，将导致喷射系数发生先增再减后不变的变化。而其他结构参数的增大，喷射系数发生先增后减的变化。根据正交试验结果分析，发现等截面段直径对喷射系数产生的影响最大，喷嘴喉部直径以及混合室入口直径对喷射系数产生的影响最小。因此，面积比保持不变的情况下，分别对等截面段直径或者喷嘴喉部直径进行改变，能够对喷射器的性能产生不同的影响。分析比较正交试验分析法的结果和单一结构参数变量分析的结果，发现两者结果存在一定差异。而单个结构参数变量分析未考虑结构参数变化对蒸汽喷射器内部流动现象的影响。而正交分析法得到各结构参数变化时喷射系数所发生的变化，采用极差分析的方法能够得到各结构因素下最优水平的组合，得出喷射系数的最大值。方差分析法的利用，也可使各结构变化对喷射系数产生的具体影响得到明确，这是一维理论计算方法和单一变量分析法所不能比的。