魏江涛，曾桃（重庆耐德工业股份有限公司，重庆401121)

蒸汽喷射器流动特性分析

魏江涛，曾桃
（重庆耐德工业股份有限公司，重庆401121)

蒸汽喷射器广泛适用各种工业环境，但其效率低下，提高其效率是目前非常重要的问题。由于喷射器内部的流动情况非常复杂，要对它进行测量非常困难，因此目前喷射器设计主要依靠经验公式。本文利用CFD软件，采用数值模拟方法模拟喷射器内部的射流流场，对内部流场进行分析研究，了解喷射器特征和喷射器结构与喷射器内部流场之间的关联，得到一些对喷射器研究有效的结论。

喷射器；射流；流场分析

0 前言

蒸汽喷射器结构简单，运行可靠，成本低，操作和维修方便，对输送介质无严格要求，快速启动，工作压力范围广，通气量大。由于其没有运动部件，具有运行可靠，使用期长等特点。它适用于除尘、凝析油、腐蚀性和容易发生爆炸的气体[1~2]。其被广泛用于真空冶金，真空脱气，真空浓缩，真空干燥，真空蒸馏，真空冷却以及真空运输等工业。喷射器逐渐发展成为射流技术的一个分支，并且在工程中得到普遍使用。但由于喷射器效率低，耗能大，很大程度上限制了其在日常工业的推广和实际使用。

Keenan和Neumann最早利用一维的质量、动量以及能量守恒方程对一台没有扩压器的简化的喷射器进行了研究[3]，得出的性能曲线与通过做实验得出来的结果是一致的。Elrod在他们研究的基础上，提出了另外一种的设计方法[4]，之后把效率定义为实际和理想的喷射系数之比。Watanabe做了一些实验来确定对喷射能，喷嘴位置和扩散长度的影响[5]。近年来，由于喷射器良好的适应性，在工程上有了长足的应用，相应的研究也出现不少新的发展，主要集中在制冷、运输中的数值研究和理论方向[6-10]。但目前喷射器理论还有很多不确定影响因素，理论只能作为估算依据，许多的疑问还需要实验和数值计算才能得到解决。

1 计算模型

蒸汽喷射器的结构示意图为图1所示，该喷射器由工作蒸汽进入室、气体吸入室、拉瓦尔喷管和扩压器构成。蒸汽喷嘴压力能转化为动能的蒸汽提取，混合气流通过扩压器又将动能转变成压力能从而达到排气的作用。工作蒸汽压力和扩压器出口压力之间的压力差，使工作蒸汽得以在管道中流动。

图1 蒸汽喷射喷射器结构简图

表1 喷射器部分截面直径

工作情况：工作蒸汽压力：P0=0.6 MPa；吸入压力：P2=0.075 MPa；喷射器排出压力：P4=0.11 MPa；被抽气体量：G2=2430 kg/h；膨胀比B=P0/P1=8，取10；压缩比Y=P4/P1=1.467，取1.4；水蒸气密度：0.810 kg/m3；

在喷射器模型确定和几何模型建立后，进行网格划分，本文的喷射器网格划分，采用了分块划分以保证整个区域为结构化网格。为了捕捉到激波和边界层，喷嘴出口和工作流体与引射流体的混合面上网格要适当的加密。划分出的网格如图所示。图2为局部网格。

图2 喷射器喉部网格

计算采用双精度求解器。蒸汽喷射器和蒸汽喷射流体的速度比侧门小得多，注入流体简化为环的入口，模型采用二维轴对称模型。

2 计算结果分析

2.1 内部流场分析

喷射器具有多种不同的操作工况，因工况的不同，它们的内部流场也不同，但是其基本趋势相似。图3~5显示其内部流动和传热情况：

图3 压力分布图

图4 速度分布图

图5 温度分布图

从图5可以看出，工作流体在经过喷嘴的渐缩段时，工质速度增大，最后在喷嘴喉部处达到音速。混合室扩压段部分混合流体的速度随着横截面积的增大而减小。整个过程中，混合段温度也在不断变化。

2.2 激波的产生位置

图6 喷射器内部中心轴线上的速度变化图

由于喷嘴处出现超音速流动，可能在混合段产生激波现象，从而导致流体移动不畅，严重时候可能极大影响引射效果。这个是在设计时候特别需要注意的情况。图6反映的是喷射器内部中心轴线上速度在喷射器长度方向上的变化规律。从图中可以明显地看到激波的产生。即在很短的位置上，速度发生明显的跃变。

3 影响引射系数的因素

喷射器的性能和结构以及工作参数都是紧密相关的。除了结构对喷射器的性能影响较大，入口参数对引射效率也有很大的影响。

引射系数定义为：μ＝GH/GP，即引射流体与工作流体的质量流量的比值。

喷射器的工作参数主要是工作流体压力、引射流体压力和混合流体出口压力。关于这些参数，正常情况是针对某一结构的喷射器，当引射流体参数和喷射器出口工作参数一定时，必然存在一个最佳的工作流体压力。当工作流体压力比这个值小的时候，喷射系数会随工作流体压力的增大而逐渐增大；当工作流体压力大于这一值时，喷射系数又会随着工作流体压力的增大而减小。为了确认这个最佳工作压力，确定其他条件不变，入口压力从0.3 MPa到0.8 MPa，每次递增0.05 MPa改变。最后的计算结果如图7所示。

图7工作流体压力与引射系数的函数图

图7 为计算结果的折线图，由图中可以看出：当引射流体参数和喷射器出口工作参数一定时，工作流体压力逐渐增大，喷射系数开始增加；当在工作流体压力为0.5 MPa时候，引射系数达到最高；压力继续增大，这时引射系数开始下降。

由上可知，在喷射器其它几何参数和工作参数不变的时候，喷射器存在一个最佳的工作流体参数，当工作流体压力小于这一值时，喷射系数随工作流体压力的增大而增大；当工作流体压力大于这一值时，喷射系数随工作流体压力的增大而减小。

4 结论

1、流体在喷嘴出口的时候已经达到了音速，我们可以在研究中看到激波在喷嘴出口到吸入室这段距离，如果设计不当，可能发生混合室堵塞。

2、通过以上的研究发现，在此处所使用的固定模型的基础上，最佳的工作蒸汽压力为0.5 MPa，所达到的喷射系数为1.42。因此对于喷射器其它几何参数和工作参数一定时，喷射器存在一个最佳工作流体参数，当工作流体压力小于这一值时，喷射系数随工作流体压力的增大而增大；当工作流体压力大于这一值时，喷射系数随工作流体压力的增大而减小。

[1]董建华.气液喷射器内两相过程的机理及数值模拟研究[D].大连理工大学,2006.

[2]华敏.蒸汽喷射器特性的CFD分析与节能应用研究[D].南京工业大学,2005.

[3]Keenan J H,Neumann E P.A simple air ejector[J].Journal of Applied Mechanics,1942,9(2):A75-A81.

[4]Elrod H G.The theory of ejectors[J].Journal of Applied Mechanics-Transactions of the ASME,1945,12(3):A170-A174.

[5]Watanabe I.Experimental investigations concerning pneumatic ejectors,with special reference to the effect of dimensional parameters on performance characteristics[J].Jet Pumps and Ejectors,1972:97-120.

[6]孔松涛,刘娟,赵丽君,等.天然气液化用高压涡流管内流动与传热分析[J].郑州大学学报:工学版,2011,32(3): 115-118.

[7]Narayanan M A B,Poddar K.An experimental investigation of the internal flow in an ejector with flap exited primary jet[J].Journal of the Indian Institute of Science,2013,64 (10):203.

[8]Saha P K,Rahman M.Vapor recovery from condensate storage tanks using gas ejector technology[J].Journal of Chemical Engineering,2013,27(1):37-41.

[9]Ruangtrakoon N,Thongtip T,Aphornratana S,et al.CFD simulation on the effect of primary nozzle geometries for a steam ejector in refrigeration cycle[J].International Journal of Thermal Sciences,2013,63:133-145.

[10]Varga S,Oliveira A C,Ma X,et al.Experimental and numerical analysis of a variable area ratio steam ejector[J]. International Journal of Refrigeration,2011,34(7):1668-1675.

Analyses of the Flow Characteristics of Stream Ejector

WEI Jiang-tao,ZENG Tao
（Chongqing Endurance Industry Stock Co.,Ltd.,Chongqing,Sichuan 401121,China）

The steam ejector is widely used in industry.However,it have become an important problem to improve its efficient.Due to the internal injector flow is very complex and very difficult to measure,the injector design formulas rely mainly on experience currently.We simulate the interior of the jet injector flow field analysis and study of the flow field by numerical simulation method.To study the characteristics of the structure and flow field,the effective conclusions of injector are obtained.

ejector;jet;flow analysis

1006-4184（2015）3-0048-03

2014-10-25

魏江涛(1978-)，男，本科，主要研究方向为表面改性方面的研究。E-mail：weijiangtao113@163com。