可调式空气喷射器的数值模拟*

党 睿，杨 宁，张晓峰，高雯雯

(1.榆林学院 化学与化工学院，陕西 榆林 719000；2.陕西省计量科学研究院，陕西 西安 710065)

流体喷射器是采用不同压力的2股流体相互混合并发生能量交换，以形成一股居中压力流体的装置。其主要特点是提高引射流体的压力而不直接消耗机械能，没有运转部件维护方便。主要部件有工作喷嘴，接受室，混合室，扩散器[1-3]。其中空气喷射器以高低压空气为流体介质，广泛应用于工业生产中，如在干燥及真空行业，代替机械真空泵；在污水处理行业，代替传统曝气设备等。

传统的单喷嘴喷射器前人研究很深入很丰富，包括其结构设计，特性研究，调节性能等[1-3]。多喷嘴喷射器也有报道，蔡琴[4]等提出了一种多喷嘴射水式水喷射加热器，并进行了研究。平凡[5]等对7 孔喷嘴的水喷射器，以温水为工作流体，饱和蒸汽为引射流体，研究了工作水温、流量和引射蒸汽温度等参数对系统引射能力和加热能力的影响。童明伟[6]等对一种射汽式多喷嘴水喷射器的加热性能进行了理论及实验分析。马昕霞[7-11]等对多喷嘴汽-液两相喷射器建立了理论模型，结合实验对模型进行了验证；采用湿蒸汽为工作流体，分析了蒸汽压力、干度及出口背压对喷射器性能的影响规律；设计了一种在混合室壁面加侧向孔的结构，产生二级引射，以提高喷射系数。祝银海[12]等以氮气为流体，对带有旁通型喷嘴的喷射器进行了实验研究，得出了喷嘴环隙结构对引射能力的影响规律。对可调式空气喷射器的研究较少报道，作者将从多喷嘴和喷嘴距离可调方面，通过数值模拟，对可调式空气喷射器进行研究。

1 几何模型及数值模拟

1.1 几何模型及网格划分

多喷嘴空气喷射器的结构见图1。尺寸见表1(4个喷嘴)。工作原理与普通喷射器相同，结构相似，是把1个喷嘴按等面积法进行多个喷嘴设计，且喷嘴上设置调节机构使喷嘴可以纵向移动，以改变喷嘴出口超出混合室距离l0[3]。将原来单一通道工作流体变成多个通道，使工作流体与引射流体有更多的接触面积，具有提高工作流体的稳定性，可以随时适应工况操作等优势。

图1 多喷嘴喷射器结构

表1 喷射器的基本设计尺寸

假设引射流体在喷嘴入口均匀进入接受室，进行数值模拟时，将引射流体入口简化为喷嘴环向，工作流体带动引射流体进入混合室，在接受室内二者没有进行混合，简化后的多喷嘴喷射器三维结构及网格见图2。

图2 简化后的多喷嘴喷射器的三维结构及网格

1.2 数值模拟

采用FLUENT 3D求解器求解，湍流方程采用标准的k-epsilon方程，应用基于密度的隐式求解器，流体域为空气，定压比热、热导率及黏度遵循piecewise-linear，工作进口采用压力入口边界设置，高压气体为1.5 MPa；引射进口采用压力入口边界设置，低压气体为0.2 MPa；出口采用压力出口边界设置，混合气体为0.3 MPa[12-14]。适当调节库朗数、松弛因子，迭代至收敛其轴面压力云图见图3。

图3 多喷嘴喷射器轴面压力云图

2 各参数对多喷嘴喷射器的影响规律

2.1 同时工作喷嘴个数对喷射器性能的影响

改变工作喷嘴个数从1增加至4。喷嘴出口所在截面端面压力云图见图4，喷射系数随工作喷嘴数目变化的曲线图见图5。

由图4可明显分辨出工作喷嘴的个数，有工作气流通过的喷嘴，喷嘴出口与混合室压差较大，喷嘴出口压力高。由图5可知，随同时工作喷嘴数目的增加，喷射系数呈升高趋势。因为喷嘴工作数目的多少会影响到喷嘴出口的工作气体流量的多少。喷嘴数目少时，工作气体流量少，无法抽吸引射流体，喷射系数较低甚至接近于0。工作喷嘴数目从3个增加到4个，喷射系数上升较大，因更接近于设计工况。

a工作喷嘴数1

b 工作喷嘴数2

c工作喷嘴数3

d 工作喷嘴数4图4 工作喷嘴数目不同时喷嘴出口所在截面压力云图

喷嘴数目/个图5 工作喷嘴数目对喷射系数的影响

2.2 喷嘴出口距离对多喷嘴喷射器的影响

喷嘴是喷射器的核心部件，把喷嘴出口超出混合室的距离l0称为喷嘴出口距离。喷嘴出口距离对喷射器的性能高低影响也很大，甚至决定喷射器是否能正常运行。分析中采用工作喷嘴数目为4个，改变喷嘴出口超出混合室距离从10 mm至25 mm，即使喷嘴向扩压器喉部移动。喷嘴出口所在截面端面压力云图见图6，喷嘴出口距离l0对喷射系数的影响曲线见图7。

由图6、图7可知，随着喷嘴出口距离的增大，喷嘴出口压力升高，喷射系数上升。喷嘴出口距离过小时，喷射系数甚至为负值，因为此时喷嘴出口的自由流束边界始终小于混合室边界，所带入的气体比喷射压缩器能通过的要多，一部分气体从混合室倒流到接受室，此部分气体压力较引射压力高，进而从引射入口流出[15]。喷嘴出口距离越大对引射越有利，但需要考虑结构上是否可以满足。综上所述，喷嘴出口距离在喷射器设计中是非常关键的结构参数之一，必须合理调节才能使喷射器正常工作稳定工作。

a l0=10 mm

b l0=15 mm

c l0=20 mm

d l0=25 mm图6 喷嘴出口距离不同时喷嘴出口所在截面压力云图

l0/mm图7 喷嘴出口距离对喷射系数的影响

3 结 论

(1)采用多喷嘴设计，改变工作喷嘴数目可以改变喷射系数。工作喷嘴数目越多，喷射系数越大，但工作喷嘴数目过少时，有可能出现工作气体流量少、引射能力不足、喷射器不能正常工作的现象；

(2)改变喷嘴出口距离，可改变喷射系数。喷嘴距离越大，喷射系数越高，过大的喷嘴出口距离将产生结构干涉，故喷嘴距离不可能无限增大。喷嘴出口距离过小时会出现工作气体倒流，喷射系数为负；

(3)可调式空气喷射器需通过合理设计结构并测试得出性能曲线(调节曲线)，按照调节曲线调节实现变工况调节。