摘 要

蒸汽喷射器是一种将低品位的能量转换为高品位能量的流体机械，其结构组成简单且节能减排效果显著，在工业生产中有着广泛的应用。本文利用CFD针对某化工企业中用于余热回收的蒸汽喷射器进行了数值模拟并对其结构进行了优化研究，主要工作如下：

(1)对一给定结构参数的蒸汽喷射器内部的流场进行了分析，得出了喷射器内部的速度、压力分布云图以及喷射器轴线方向上的速度、压力分布曲线。

(2)在其他条件不变的情况下利用Fluent软件分别研究了喉嘴距、喷嘴出口直径、混合室收缩段直径、混合室等截面段长度和扩压室直径的变化对喷射器性能的影响，并得到了单因素变化分析下喷射器的最优结构参数组合。随后进行了五因素四水平的正交试验来研究多因素共同变化对喷射器性能的影响并得到了此时喷射器的最优结构参数组合。将两组最优结构参数组合进行了对比发现二者均可提升喷射器的喷射系数，并且采用正交试验对喷射器进行多因素优化分析后喷射器的性能提升更为明显。

(3)分别改变了工作蒸汽压力、出口背压和引射蒸汽压力来分析优化后和优化前喷射器的喷射系数随上述参数的变化情况。分析结果表明，在不同的工况下优化后的喷射器性能较优化前喷射器的性能良好且二者喷射系数随工况的变化趋势几乎一致。

本文通过对蒸汽喷射器的结构进行优化并分析了喷射器在不同工况下的性能，为喷射器的设计生产提供了参考，也为喷射器在工作过程中的工况控制提出了建议。

关键词：蒸汽喷射器；CFD；结构优化；正交试验；喷射系数

Abstract

Steam ejectors are one type of fluid machines which improve energy level and have advantages such as simple structural components and remarkable energy saving and emission reduction effect; thus, they have been being popular in the industrial production field. Numerical simulation and optimization study were carried out to steam ejectors for recovery of waste heat in a certain chemical company by utilizing the CFD method. The primary contents are listed as follows:

1. Analysis was carried out to the internal flow field of a steam ejector while its structural parameters are given to obtain the corresponding velocity and pressure distribution profiles (especially its axial velocity and pressure distribution profiles).

2.While other conditions are fixed, those factors (such as the spacing and outlet diameter of nozzles, the performances of the steam ejector was analyzed by changing the length of the mixing portion with equal section, and the diameter of the diffuser) based on the Fluent simulation method so that the single-factor effects and their integrated effects may be obtained for performance of the corresponding analysis; moreover, 5-factor and 4-level orthogonal experiments were carried out to present the multifactorial effects for performances of the steam ejector and the corresponding optimal combinations of structural parameters, for two of which comparative tests were performed so as to investigate they may improve its injection coefficient and its performances may be remarkably improved based on the multifactorial optimization analysis.

3. While those parameters such as the inlet and outlet steam as well as ejecting pressures change, the single-factor and multifactorial optimized performances are correspondingly different. The analysis results indicate the optimized performances shall be better under various operating conditions and the injection coefficient changes almost consistently along with variation of operating parameters.

Overall, the structure optimization analysis may help to determine the appropriate operating parameters and improve the output performances for application of steam injectors; and this study may be for reference in the design and production of steam injectors; in addition, the operating steam injectors may be under optimal control.

Keywords: Steam ejector, CFD, optimum structure, orthogonal experiment, injection coefficient

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 蒸汽喷射器的理论分析研究综述 1

1.3 蒸汽喷射器的CFD模拟研究综述 3

1.4 本文研究内容 5

第2章 蒸汽喷射器的理论支撑及结构参数 6

2.1 蒸汽喷射器的工作原理及性能指标 6

2.2 蒸汽喷射器的理论基础 7

2.2.1 蒸汽喷射器的基本方程 7

2.2.2 主要损失及效率计算 8

2.2.2.1 主要损失 8

2.2.2.2 效率 9

2.3 相似定律的应用 9

2.4 蒸汽喷射器的结构参数 10

2.5 本章小结 11

第3章 蒸汽喷射器的CFD模拟方法 12

3.1 CFD的概述 12

3.2 蒸汽喷射器内部流体流动方程的建立 14

3.2.1 控制方程 14

3.2.2 湍流模型 14

3.2.2.1 湍流特征 14

3.2.2.2 模拟方法 15

3.2.2.3 基本方程 15

3.3 控制方程的离散和差分格式的处理 16

3.4 离散方程求解器的选择 17

3.5 蒸汽喷射器的建模及网格划分 18

3.5.1 建模 18

3.5.2 网格划分 18

3.6 流体的物性及边界条件的确定 20

3.7 蒸汽喷射器内部的流场分析 20

3.8 本章小结 23

第4章 蒸汽喷射器的结构参数对其性能的影响及结构优化 25

4.1 单因素变化对喷射器性能影响分析 25

4.1.1 喉嘴距的影响 25

4.1.2 喷嘴出口直径的影响 29

4.1.3 混合室结构参数的影响 33

4.1.3.1 混合室收缩段直径变化的影响 33

4.1.3.2 混合室等截面长度的影响 35

4.1.4 扩压室直径改变的影响 37

4.1.5 单因素最优值组合 39

4.2 多因素共同作用对喷射器性能影响分析 39

4.3 本章小结 42

第5章 蒸汽喷射器的变工况性能分析 43

5.1 工作蒸汽压力的影响 43

5.2 出口背压的影响 44

5.3 引射蒸汽压力的影响 46

5.4 本章小结 47

第6章 结论与展望 48

6.1 结论 48

6.2 展望 49

参考文献 50

致谢 54

附录A 攻读学士学位期间取得的主要科研成果 55

第1章 绪论

• 1. 引言

目前，我国已经超越日本成为世界第二大经济体，对能源的需求有着进一步增加的趋势，同时面临的环境污染问题也日趋严重，在2017年的两会中国家领导人对我国的节能环保提出了更高的要求 ^[1]。为了全面贯彻科学发展观并实现可持续发展，必须依靠先进的科技手段来最大限度地提升企业在生产过程中的能源利用率，降低污染物的排放量 ^[2-4]。

而蒸汽喷射器是一种可以将低品位的能量转化为高品位能量的流体机械，对工业生产中的节能减排有着一定的促进作用。相比于工程中常用的压缩机等其他流体机械，蒸汽喷射器具备以下几个方面的优势：无动力部件，设计生产方案相对简单，制造成本低廉，维修和操作方便，运行平稳可靠，节能效果显著等等 ^[5-7]。基于此，蒸汽喷射器在工业生产中应用较为广泛。在石油化工生产的过程中通常会有大量的低温余热蒸汽产生，为了将这些低温余热蒸汽的能量进行循环利用，很多企业会采用蒸汽喷射器对这些低温余热蒸汽的回收。同时蒸汽喷射器也曾用于在原油开采过程中回收甲烷、乙烷和丙烷等挥发性气体并取得了良好的效果。在电厂热力系统中，蒸汽喷射器经常被用来对除氧器的管路进行改造，在工作蒸汽用量不变的情况下，通过采用蒸汽喷射器来实现对采暖抽汽的引射，在保证除氧器的蒸汽用量的同时增加了采暖抽汽量，提升了经济效益，节约了成本。在海水淡化系统中，由于汽轮机的抽汽压力和海水淡化装置所需的加热蒸汽压力之间通常有着较大的差值，这一富裕压头可以被蒸汽喷射器所利用以引射海水淡化装置中间部分产生的二次蒸汽并共同作为加热蒸汽，从而实现节能 ^[8-10]。除此之外，蒸汽喷射器在其他领域同样有着广泛的应用，如纺织、造纸等轻工业、航空航天工程、采矿冶金工程和制冷低温工程中等 ^[11-12]。上述事例说明蒸汽喷射器应用于多种工况复杂的场合中，其各部分结构参数的取值和内部流动的工质种类也因场合变动而有所不同，因此喷射器的设计过程十分复杂，一旦某一环节出现问题则可能导致喷射器的设计结果与实际应用存在较大的偏差，从而使其性能大打折扣，因此，如何对蒸汽喷射器的结构进行优化，使其工作在最佳的状态下也是科学研究和工程应用中的一个不可忽视的问题。

• 1. 蒸汽喷射器的理论分析研究综述

19世纪60年代便有科学家开始对蒸汽喷射器的理论进行研究，德国科学家Zennuer参照动量定理提出了蒸汽喷射器设计的基础理论 ^[13]。随后Zennuer和其团队成员Runkin等进一步完善了上述理论，并做了相关的实验来验证理论的精确性 ^[13]。但是这些理论难以应用于解决喷射器的结构进行优化和改进等一系列实际的问题。Flugel学者首次提出将质量、能量和动量方程应用于对蒸汽喷射器的喷射压缩过程的分析，但是并没有对喷射器其他的工作过程进行分析 ^[13]。20世纪40年代，Keenan和Neumann等科学家提出了等压混合理论和其他相对完整的喷射器理论，这些理论的前提是不考虑工质在喷射器内部流动过程中的摩擦损失并假设工质为理想气体 ^[14-15]。1977年，Mundy等科学家提出了喷射器设计的新的方法，其理论基础为Keenan所创立的等压混合理论，同时也首次考虑了激波对喷射器性能的影响 ^[13]。随后台湾学者Huang等在参考Mundy的工作之后采用理论研究的方式探索了喷射器的性能，并定义：当引射流体流经混合室的收缩部分时其会在该部分的某一位置达到声速，该位置的面积也被Mundy称作“假想喉部面积”，同时采用实验的方法测量了这部分面积的数值。其实验还得出如下结论：激波形成的位置受喷射器混合室等截面段的长度、混合室收缩段的直径、混合室与喷嘴的相对的位置、装置内部的粗糙度等因素的影响。为了更为精确地分析喷射器内部结构对工作性能的影响， Huang等学者基于实验结论建立了蒸汽喷射器的一维分析模型 ^[16-17]。出于种种原因该模型的计算精度有限，许多学者也对此进行了修正，但是修正后的一维模型仍然不能够较为全面、准确、可靠地获取整个流场的内部具体情况。因此，多数学者开始着眼于蒸汽喷射器的二维分析模型研究。

Tollmien首先对此展开研究并提出了喷射湍流混合理论，但其并未分析喷射系数的影响，也没有能够精确地分析混合过程 ^[18]。随后Goff和Coogan等科学家在Tollmien的基础上进行了进一步的分析，但只提供了研究方向并没能得到有效的结论 ^[18]。后期，许多学者开始基于流体力学和热力学的基本原理推导了可以应用于分析蒸汽喷射器内部工作过程的公式并建立了相关的理论模型，从而可以更加精准地分析蒸汽喷射器内部的流场。在前苏联科学家C.A.赫里斯季阿诺维奇的领导下，中央流体力学研究所与前苏联研究院联合研究了喷射器的计算方法并编纂了相关的著作，这些著作也为后面学者对蒸汽喷射器的理论研究提供了一定的指导。我国学者徐海涛等建立了动量守恒模型和能量守恒模型并研究了蒸汽喷射器的主要结构尺寸（如工作喷嘴、混合室等截面段和扩压室）长度的变化对喷射器性能的影响，结果表明动量守恒模型有助于计算喷射器的引射比和压缩比，而动能模型在分析喷射器的工作效率方面有着较大的优势 ^[19]。丁学俊等通过采用热力学的手段分析了喷射器内部工质的工作原理并总结出了简便的设计方法，同时通过建立数学模型的方式获得了影响喷射器性能的主要参数，但是在如何对喷射器的结构进行改进和优化的这个问题上也没有提出太多的建议 ^[20]。