基于CFD的多喷射器数值模拟

2018-07-11张俊杰

装备制造技术 2018年5期

张俊杰

（广西制造系统与先进制造技术重点实验室，广西大学机械工程学院，广西南宁530004）

喷射器是一种无运动部件的升压装置，其组成如图1所示。近年来一些学者对其进行了研究。

图1　喷射器示意图

K Banasiak等人[1]对一台CO2两相流喷射器进行了数值模拟研究，模拟过程中CO2采用实际气体模型，使用均相成核延时均衡模型来研究跨临界流的亚稳态现象，和实验结果对比结果表明此模型能够较好地预测喷射器内流场情况。丁学俊等人[2]使用二维轴对称模型对蒸汽喷射器进行了数值模拟研究，分析了工作蒸汽压力、引射蒸汽压力和混合蒸汽压力变化对喷射器的引射系数以及内部流场激波的影响。沈胜强和张琨[3]提出在喷射器喷嘴内插入喷针来调节喷射器的方案，并建立计算模型。通过模拟计算后发现，通过对喷射器出口面积的调节可以改变喷射器的质量流量。Bodys等人[4]对一种全尺寸CO2多喷射器模型进行了模拟分析。他们分别研究了单喷射器和多喷射器运行的情况，研究结果表明，带多喷射器的CO2制冷系统可以适应不同的制冷工况，并且更加高效、稳定。

本文提出一种新的多喷射器模型，并对其进行建模与研究，分析了在指定边界条件下，喷射器流量的变化规律。和以前的研究相比较，本文所建模型有如下不同：

（1）四个喷射器共用一个引射室；

（2）四个喷射器除引射室外各个部分独立存在；

（3）四个喷射器集成为一个设备。

1　多喷射器建模与网格划分

本文所研究喷射器采用文献[5]中公布的尺寸，并在此基础上对按照一定的比例对其进行放大与缩小建立多喷射器。建立后的三维模型如图2所示。

图2　多喷射器三维模型

各喷射器的主要尺寸如表1所示。

表1　各喷射器的主要尺寸

本文研究中采用anasys中的mesh软件进行网格划分，考虑到模型的复杂性，采用一键生成功能建立四面体网格。网格数量为517 191.划分后的网格如图3所示。

图3　网格划分图

2　模拟与分析

（1）模拟方法

本文模拟中，喷射器主喷嘴和引射喷嘴采用压力入口边界条件，扩散器出口采用压力出口边界条件。CO2物性调用UDF以及多项式耦合的方法。

本文主要研究不同喷射器组合下喷射流量的变化规律，在模拟不同喷射组合时，工作喷射器的边界条件采用前述方法设置，将不工作的喷射器关闭，即将其所有的边界设置为wall.

本文采用非稳态模拟，湍流模型采用SST k-ω模型，多相流模型为mixture模型，并且采用Coupled算法。确定的具体边界条件参数如表2所示。

表2　模拟边界条件设置

（2）结果分析

本文主要研究不同喷射组合下喷射器流量的变化情况。表3显示了不同喷射组合下喷射器质量流量以及喷射系数的变化。

表3　流量与喷射系数

当模拟单开喷射情况时，喷射器引射流体流量随着主喷嘴尺寸的增加而缓慢增加，其中ej2和ej3引射流量基本相同，但ej3的喷射系数为ej2的一倍，产生这种现象的原因是，ej3的主喷嘴尺寸小于ej2，且所设计三维模型中引射入口接近ej3，所以较ej2，它能够较容易地将引射流体吸入，使其喷射系数较大。由于ej4喷嘴尺寸较小，且其位置离引射室较远，致使其引射流量为负值，故表3中此项以及喷射系数项为空。

喷射器双开时，ej2+ej3、ej2+ej4、ej3+ej4 三个喷射组合引射流体质量流量之间缓慢变化，使用这三种组合可以连续控制制冷系统的制冷剂供应。而ej1+ej2、ej1+ej3、ej1+ej4三个组合引射流体流量之间相差不大，但ej1+ej2组合的喷射系数较其他两种最大，为了发挥喷射器的最大性能，在此流量所能满足制冷所需制冷剂流量时，应该优先考虑ej1+ej2组合。

喷射器三开时，和前面的单开以及双开相比较，引射流体流量有明显的上升，这与所设想的实际情况相符合。此情况下，选择不同的组合能够很好地满足制冷所需制冷剂供应。

喷射器全开时，引射流体流量最大，此时可以满负荷工作，在制冷量需求很大的情况下比较适用。

值得注意的是，ej1+ej2和 ej1+ej2+ej4、ej1+ej3和ej1+ej3+ej4、ej2+ej3和ej2+ej3+ej4，这几种组合的引射流量比较接近，所以，利用ej4可以对制冷系统的流量进行微调。