氢燃料电池引射器结构参数分析

郑金凤，于蓬,2，薛彬，魏添，裴宝浩

（1.271100 山东省 济南市 济南嬴氢动力科技有限公司；2.271100 山东省 济南市 莱芜技师学院；3.271100 山东省 济南市 山东明宇新能源技术有限公司；4.264670 山东省 烟台市 烟台职业学院）

0 引言

引射器是一种新型的流体机械，因其具有结构简单、运行可靠、成本低廉、操作方便等优势，在各行各业得到了广泛应用，同时也表现出越来越强的技术优势[1-3]。因具有良好的通用性，引射器已被广泛应用于燃烧装置、动力、石油化工、制冷、供热以及矿产开采等各个领域。根据具体需求的不同，引射器在结构和性能上也会存在着一定的差异。

引射器的工作原理主要是通过高压流体的高速射流实现能量转换，依靠高压气体经过喷嘴时产生的高速射流形成低压区，进而引射低压气体，并在引射装置内进行混合，最终实现对低压气体增加压力的目的，此过程不消耗机械能。引射器诞生于19 世纪，为维持蒸汽机冷凝器中的真空状态发明了超声速引射器，那时对超声速引射器的几何结构等研究不充分，通常根据各自的经验设计制造。直到20 世纪40 年代，随着流体力学和空气动力学的不断进步和发展,引射器的技术设计理论被科学家广泛关注，开始了有关引射器的研究和设计[4-5]，历经几十年的研究和发展，逐渐形成了以理论计算、数值模拟和实验研究等为主导的引射器设计方法。

引射器的结构虽然简单，但影响引射性能的结构因素却有很多，例如：喷嘴距、混合室长度、混合室直径、扩压室扩散角度等[6]。对引射器而言，某个结构参数的变化会导致引射性能的迅速改变，从而直接影响引射器的工作效率，因此研究结构参数对引射器性能的影响以及引射器的结构设计和优化具有重要意义。

1 引射器模型的建立与工作原理

引射器是一种机械结构的增压装置，其结构形状如图1 所示，主要部件包括工作喷嘴、收缩管、混合室、扩压室、缓冲室。进入引射器内的流体按照压力划分为高压工作流体和低压引射流体。工作时，在引射器内部，高压工作流体经过喷嘴高速射出后会在喷嘴出口处出现一个负压区，这个负压区与引射流体之间存在巨大的压力差，使引射流体被直接吸入引射器内。两种流体在混合室内发生能量交换并混合均匀，再流进一个扩压室内，在扩压室内可实现增压降速的目的，之后从缓冲区流出进入电堆。

图1 引射器结构示意图Fig.1 Structure of ejector

2 引射器模型的网格划分与参数设置

CAD 绘制的引射器二维模型导出为*.iges 格式文件，再将*.iges 文件导入ICEM CFD 软件中对进出口进行设置和非结构网格划分。全局网格设定中，比例因子设定为0.03，最大网格尺寸为0.008。网格类型选择方面，表面网格类型选用All Tri 结构，体网格类型选用Tetra/Mixed 结构。

完成网格划分后，将生成的*.msh 网格文件导入Fluent 18.0 中进行参数的设置与求解。首先查看网格数、节点数、面数，然后检查网格的最小体积和最小面积，确保二者均不是负数，再进行参数及求解设置。设置工作流体为纯氢气体，仿真中采用的是Pressure-Based 求解器，选择Gravity 设置Y 方向重力加速度为-9.81 m/s2，X 方向和Z 方向保持默认值，湍流模型选择k-ε（2 eqn），其他参数设置如表1 所示。

表1 边界条件设置Tab.1 Boundary condition setting

3 混合室长度对于引射系数的影响

混合室长度可直接影响能量交换以及气体的混合过程，从而影响引射器的引射性能。为深入研究不同混合室长度对引射系数的影响，仿真过程中对模型的选择为：在现有引射器基础上，仅改变混合室长度参数，其他参数保持不变。引射器结构尺寸参数如表2 所示。选取混合室长度分别为5，10，15，20，25 mm，对5 种混合室长度分别建立引射器模型并利用Fluent 18.0 仿真，得到不同长度下的速度云图，如图2 所示。

表2 燃料电池引射器结构尺寸Tab.2 Structural dimensions of fuel cell ejector

从图2 可以看出，工作流体在经过喷嘴收缩段时，速度逐渐增加，经过临界面时速度达到极值，此时巨大的压力势能转变为流体动能。工作流体从喷嘴出口高速射出时，径向速度逐渐降低而轴向流速基本保持不变。被吸入的引射流体在混合室内与工作流体逐渐混合均匀，从而逐渐扩大至充满整个混合室，并且两股流体在混和室内相互混和进行动量和能量交换，两者速度逐步接近，流动几乎成为均匀流，至混合室出口进入扩压室，两者的速度基本达到一致，并产生正激波，使得混合流体速度下降。最终实现增加流体压力、降低流体速度的目的。之后在缓冲室稍作缓冲，流入电堆内，为电堆持续提供稳定的流体。

图2 不同混合室长度下引射器内流体速度变化云图Fig.2 Flow velocity variation in ejector with different mixing chamber lengths

本试验采用的性能指标为引射系数，引射系数是指在一定工况下单位质量的高压工作流体通过引射器时所能吸入的低压流体的流量，其在数值上等于低压被吸入流体的质量流量mk与高压工作流体的质量流量mp之比，计算公式为

式中：μ——引射系数；mk——低压引射流体的质量流量，kg/s ；mp——高压工作流体的质量流量，kg/s。

经过计算，得到混合室长度与引射系数的相关曲线，如图3 所示。

图3 混合室长度对引射系数的影响Fig.3 Effect of mixing chamber length on injection coefficient

由图3 可知，当混合室长度在5～15 mm 时，引射系数几乎呈线性增大；当混合室长度超过15 mm 后，引射系数几乎不再发生大的改变，原因主要有以下3 点：（1）当混合室长度过小时，引射器没有足够的长度维持负压状态，不能够充分引射气体进入引射器；（2）在速度方面，高压气体和低压气体不能够在混合室内部充分碰撞，无法达到速度的充分混合；（3）混合室长度在5～15 mm 时，随着混合室长度增加，存在引射负压，能够充分地将两种流体吸入到引射器装置内部，保证两种流体的充分混合，使其完成能量交换，并且在速度上达到基本一致，从而使引射系数达到最大值。

4 结论

当10 kW 氢燃料电池引射器混合室的长度为15 mm 时，对应的引射系数引射系数最大为15.3，长度过小引射系数较小，长度过大引射系数几乎不再变化。这是因为长度过小，两种流体在混合室内得不到充分的能量交换；长度过大，增加了阻力损失。据此推断出混合室长度为15 mm 时，引射器的性能较好，工作效率最高。