论文总字数：19467字

摘 要

随着能源短缺与环境污染问题的日益突出，对机械效率的提升是解决这些问题的有效途径。蒸汽喷射器，是一种能量转换效率高且节能可靠的装置。蒸汽喷射器的工作原理是由一定能量的工作流体(一般为压力和流量)，将静压能转换为动能后，再通过喷嘴射出，形成高速射流。其主要部件有:工作喷嘴，接受室，混合室，扩散器。在现代生产工业中，蒸汽喷射器的应用相当广泛，所以，对喷射器的结构优化具有巨大的现实意义。本文将利用CFD针对某化工企业中蒸汽喷射器进行数值模拟，并对其结构进行优化。蒸汽喷射器的性能分析通常采用气体动力学或一维理论方法，但这些方法都有一定的局限性。我采用计算流体力学(CFD)方法对某化工公司回收废热蒸汽喷射器内流场进行了数值模拟和分析。此外,我还单因素分析了喷射器的性能的单因素影响，如喷嘴出口的直径、喷嘴出口到混合室入口之间的距离(以下简称NXP)、混合室和扩散室收缩段的直径，而其他条件是固定的。然后对引射器的性能进行多因素分析，并通过五因素和四水平正交试验对其结构进行优化，得出各因素对引射器性能的灵敏度。结果表明，优化后的引射器性能明显提高，喷嘴出口直径对引射器性能的影响最为敏感。本研究可为任何抽汽器结构参数的优化提供一种新的思路，对喷射器的设计和生产具有一定的参考价值。

关键词: CFD,蒸汽喷射器,结构优化,正交试验,结构参数

Abstract

With the problem of energy shortage and environmental pollution becoming more and more prominent, the improvement of mechanical efficiency is an effective way to solve these problems. Steam ejector is a high energy conversion efficiency and energy saving reliable device. The working principle of steam ejector is that the static pressure energy is converted to kinetic energy by a certain energy working fluid (usually pressure and flow), and then ejected through the nozzle to form a high speed jet. Its main components are: working nozzle, receiving chamber, mixing chamber, diffuser. In the modern production industry, steam ejector is widely used, so it has great practical significance for the structure optimization of ejector. CFD will be used in this paper The steam ejector in a chemical industry is numerically simulated and its structure is optimized. gas dynamics or one-dimensional theoretical methods are usually used for the performance analysis of steam injectors, but these methods have some limitations. I used computational fluid mechanics (CFD) method to simulate and analyze the flow field in a chemical company recycling waste thermal steam ejector. besides, i also analyzed the single factor influence of ejector performance, such as the diameter of nozzle outlet, distance between nozzle outlet, diameter of inlet mixing chamber (hereinafter referred to as NXP) and shrinkage part, mixing chamber and diffusion chamber, while other conditions are fixed. Then the performance of ejector is analyzed by multi-factor analysis, and its structure is optimized by five factors and four-level orthogonal test, and the sensitivity of each factor to ejector performance is obtained. the results show that the optimized ejector performance is obviously improved and the nozzle outlet diameter is most sensitive to the ejector performance. This study can provide a new idea for the optimization of structural parameters of any extractor, which has certain reference value for the design and production of ejector.

Keywords: CFD, steam ejector, structural optimization, orthogonal test, structural parameters

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景与意义 1

1.2 蒸汽喷射器及应用价值 1

1.3 CFD模拟研究的进展 2

第二章 蒸汽喷射器的CFD仿真准备 4

2.1 引言 4

2.2 蒸汽喷射器的建模 4

2.3 工作介质的物理性质及边界条件的确定 4

2.4 仿真和实验验证结果处理 5

第三章 蒸汽喷射器CFD单因素仿真实验 6

3.1 NXP的影响 6

3.2 喷嘴出口直径的影响 7

3.3 混合室结构参数的影响 8

混合室收缩段直径的影响： 8

混合室等截面长度的影响： 9

3.4 扩压室直径的影响 10

3.5 单因素优化结果的组合以及进行单因素分析 11

3.6 采用正交试验法进行多因素分析 12

3.7 蒸汽喷射器的变工况分析 14

第四章 总结与展望 18

4.1 本文总结 18

参考文献 20

致谢 22

绪论

课题研究背景与意义

汽喷射器作为一种将能量由低级转化为高级的机械部件，对工业生产的节能减排具有一定的促进作用。此外，与工程应用中常见的机器如压缩机相比，其主要优点如下：１）无电源；２）生产方案相对简化；３）制造成本低；４）操作维护方便；５）运行性能可靠稳定；６）节能效果显著。因此，在化工、制冷、采暖、电力生产等领域广受欢迎。例如，在石油化工生产过程中一般会产生大量的低温余热蒸汽，选择蒸汽喷射器对这些蒸汽进行能量回收;同时，利用蒸汽喷射器回收原油提取过程中的甲烷、乙烷、丙烷等挥发性有机化合物，取得了良好的效果。因此，通过相关研究，对提升化工企业蒸汽喷射器的性能具有重要意义。

蒸汽喷射器及应用价值

蒸汽喷射器通常由四部分组成(喷嘴、吸入室、扩散室和混合室)，示意图如图1所示，结构参数如表1所示。其工作原理大致描述如下:高速汽流发生在高压蒸汽流过喷嘴喉部和一个低压区形成在喷嘴出口，压差产生,从而低压蒸汽吸入;此外，由于射流边界的湍流扩散现象，高压蒸汽与周围被吸蒸汽之间可能会发生能量交换，从而形成具有中间压力的混合流体。运行后，喷射蒸汽进入混合室，速度趋于平衡，混合蒸汽加压;随后，混合蒸汽进入扩散室，其速度逐渐下降，使动能转化为静态能;因此，出现了相对较高的压力蒸汽。任何一种喷射器的各个部件的结构参数都是设计出来的，早期大部分学者都是利用等压混合模型对其性能进行分析。在此研究的基础上，科学家们进一步研究了任意喷射器的性能，解释了阻塞现象和冲击波现象的发生;此外,曼迪的“假定喉”实验验证提出以下结论:激波的位置发生可能受到这些因素的影响,如统一的长度和直径的截面积部分混合室、混合室和喷嘴之间的相对位置,和内部的粗糙度喷射器。而“激波环”模型的速度分布不均匀的二次蒸汽混合室考虑执行效率的分析主喷嘴和混合和扩散室,蒸汽流过程的热力学不可逆性，可解释其总是常数的理论。同时研究了不同工况对一次喷嘴、混合和扩散室效率的影响后，结果表明，当工况发生变化时，上述效率可能会发生相应的变化，而不是固定不变。上述理论研究一般都包含一些假设或约束条件，在实际应用中可能不太有价值，因为引射器的性能可能无法准确反映。因此，任何喷射器的性能都必须用其他方法进一步研究。许多学者通过实验方法研究了结构参数对喷射器性能的影响，克服理论分析的局限性，希望获得一些一般规律。实验分析了喷射器的性能的变化规律而NXP的变化范围(2.4 - -4.8mm)和相应的结果表明,其喷射系数和表演连同NXP的增长而下降喷嘴出口之间的距离和混合室进口上升。另一方面，结果表明，随着喷嘴与混合室入口距离的增大，混合室的性能略有提高。实验研究了喷射器喷射系数随混合室均匀截面截面面积与喷管截面喉部面积之比的变化规律，提出了喷射器工作的最优面积比存在。部分学者利用N2作为工作介质对喷射器进行了可视化研究，获得喷射器内激波序列的特征，并测量了喷射器内第一激波的波长;他们指出，夹带率随激波波长的增长而下降，也表现出任何喷射器内部流动过程的可视化研究利用二氧化碳作为操作介质和指出主要的一部分流体可能会阻塞混合室,以便辅助流体的流动区域的一部分可被占领。因此，喷射器的喷射系数下降。在分析了喷嘴出口直径对喷射器性能的影响后，发现其喷射系数随喷嘴出口直径的增大而减小，性能略有提高。有学者提出的影响分析的长度均匀混合室的截面积部分，一个喷射器和相应的结果表明,其性能将相对较弱而均匀的截面积部分的长度混合室太低。另一方面，随着搅拌腔均匀截面长度的增加，搅拌腔的性能基本不变。通过实验方法发现，当混合室的均匀截面截面长度相对较小时，顶针的性能可能只会受到很小的影响，但顶针内发生回流的临界背压可能会受到影响。在对某空调厂的两相蒸汽引射器进行了实验研究后，结果表明，当喷嘴喉道直径为1mm、NXP为4mm时，两相蒸汽引射器的性能最优，整个空调系统的相应效率最大。在研究了规则的改变操作条件对喷射器的性能的影响后,发现喷射器的效率将增加约30%。而合理的设计已经进行蒸汽喷射器的操作参数,这样的结论可能有很大的参考意义和在空调上的应用价值。

CFD模拟研究的进展

CFD作为一种集数学和计算机科学于一体的新兴产品，目前在蒸汽喷射器领域已经得到了广泛的应用。大量模拟和实测数据的对比表明，CFD误差虽然与实测结果存在一定差异，但仍可接受。CFD虽然可以准确预测实验结果，但实验需要耗费大量的精力、时间和金钱，且周期较长。因此，我采用CFD方法对喷射器内部流场进行了数值模拟，并分析了各种结构参数对喷射器性能的影响。有学者将一个三维复杂模型和一个二维轴对称简化模型分别建立为一个气体喷射器，对其喷射系数进行CFD模拟和分析，结果表明，基于这两个模型的两个喷射系数基本相同。利用二维轴对称模型可以简化其结构，提高分析性能。此外,在分析了影响NXP的长度和均匀混合室的截面积部分的表演一个喷射器和相应的结果表明,其数值最初上升然后下降并逐渐随着NXP的改变而增长,至于NXP可能存在的最优值，随着混合室均匀截面长度的增加，其注入系数先增大后逐渐趋于相同。在研究了喷嘴长度和表面粗糙度的影响时，对喷射系数通过CFD分析方法和相应的结果表明,喷射系数先上升然后下降。随着喷嘴表面粗糙度的增长，喉咙或出口部分的喷射系数逐渐下降。因此，喷管应尽量抛光。有学者提出了蒸汽喷射器内部流场的分析，冷却空气通过CFD方法和分析这些参数的影响(如NXP和统一的截面积部分的长度混合室和扩散室)对喷射器的性能;并进行了相关实验验证，结果表明喷射系数随喷嘴出口直径的增大而逐渐增大，但随混合室收缩段直径的增大而减小;此外，喷射系数受扩压室长度的影响不大。在建立了三维不可压缩模型后，分析了喷嘴形状与吸入通道回流现象之间的关系，其中未考虑超音速气体流动与喷嘴性能之间的关系。但是对于任何气体喷射器来说，喷嘴出口的气体通常是超音速的。因此，在分析过程中要考虑气体的可压缩性，以保证分析结果更加可靠。在利用CFD方法分析了喷射器工作蒸汽压力与激波波长之间的关系，并进行了实验验证后，结果表明，激波波长随喷射器出口背压的增大而逐渐增大。

对于以上学者对弹射器性能的分析，无论采用实验方法还是CFD仿真方法，大多数情况下都是在一个参数变化而其他条件不变的情况下进行弹射器性能的单因素分析;但是对喷射器性能的多因素分析却很少进行。对于喷射器结构参数的优化，基于单因素分析方法的优化结果还需进一步讨论。此外,只有一些参数(如喷嘴喉部直径、NXP和喷嘴形状和表面粗糙度),而不是额外的(如喷嘴出口的直径和混合室的收缩部分的直径和扩散室)考虑了结构参数对性能的影响。分析喷射器的大多数学者都采用CFD模拟方法。我分析了5个因素(NXP、喷嘴出口收缩段直径、混合室和扩压室直径、混合室均匀截面截面长度)对引射器性能的影响，然后利用五因素和四水平正交试验法对上述五种参数进行多因素分析，从而使这些参数能够最优地组合在一起，用于顶针结构的优化设计。为了验证优化后的引射器性能，我对优化后的引射器在不同工况下的喷射系数进行了仿真，并对引射器对工况的适应性进行了分析。

蒸汽喷射器的CFD仿真准备

引言

目前，CFD已经广泛应用于求解机械、仪器、车辆、航空航天、船舶海洋等领域的相关流动问题，其求解过程大致相似。由于流动问题的控制方程出现非线性的方程的可能性较大，方程中的自变量较多，尤其是在复杂的边界条件和几何域的计算情况下，使用CFD方法比传统的理论解析方法和实验验证方法更容易找到有利于工程进展的数值解。尽管CFD与实际情况相比总存在一定的误差，但是大量的模拟数据和实验数据显示误差是在可接受范围之内的，在实验人力物力消费大和周期长的情况下可以用于对实验结果的较准确预测。建立喷射器内部蒸汽流动的控制方程，必须具备以下条件:(1)内部运行稳定;(2)蒸汽喷射器内壁为绝热;(3)一次流和二次流在搅拌室内充分混合;(4)内部流动稳定均匀。

蒸汽喷射器的建模

提取蒸汽的蒸汽喷射器和啮合入口速度的模拟蒸汽喷射器和其内部流动是单数阶段相对较低,使其结构可以简化，在以下假设中:(1)提取蒸汽和操作蒸汽均匀分布混合之前的任何截面;(2)其侧向入口方向可视为与工作喷嘴同心;(3)其进气口面积应与引射器实际结构中的侧向进气口面积大致相等。因此，其三维模型可以简化为一个二维轴对称模型，其示意图如图2所示。网格主要分为两类(即结构化网格和非结构化网格)，采用后一种形式对蒸汽喷射器进行啮合，克服了前一种形式的缺点，如产生啮合所需的人工量大，自动化水平低。在ANSYS Workbench中完成网格划分。从喷嘴出口到扩压室进口的蒸汽流动规律较为复杂。因此，该区域的网格必然会被加密。喷嘴和抽汽口局部区域、混合室和扩压室入口的放大网格分别如图3和图4所示。为了验证计算结果与网格数之间的相对独立关系，将引射器的计算注入系数结果分别给出了三个网格数水平，由表2可以看出，计算得到的注入系数结果非常接近，且随着网格数的增加，最终没有任何视觉变化;另一方面，网格的数量太大，导致计算时间太长;否则，网格数过小，计算结果不准确。综合考虑以上两个因素，应取中等网格数(约6万~ 7万网格)。

工作介质的物理性质及边界条件的确定

从Fluent数据库中选择工作流体作为蒸汽，其主要应用特性如表3所示。由于速度入口边界条件不符合任何可压缩流体的要求，因此假设所有运行蒸汽入口和抽汽入口均为压力入口边界条件，其计算参数如表4所示;同时，混合蒸汽出口也假定为压力出口边界条件。由于任何模型壁面都没有流体运动和转动，且壁面与周围环境之间的传热传质现象可以忽略不计，因此可以认为壁面是不滑移、不渗流和绝热的。此外，模型的几何形状和流场均符合对称条件。因此，其中心对称边界可以设置在对称边界条件下。

仿真和实验验证结果处理

为验证模拟结果的可靠性，本文基于2.3节边界条件对蒸汽喷射器进行了数值模拟;并将模拟的喷射系数与同一蒸汽喷射器在上述工况下的实测喷射系数进行了比较。对比结果如表5所示，模拟结果与实测结果差异较小。因此，我们的模拟结果是准确和可靠的。但由于在仿真过程中采用了一系列理想的假设和处理方法，使得仿真结果略大于实测结果。

蒸汽喷射器CFD单因素仿真实验

NXP的影响

根据参考的相关内容，弹射器的结构参数可能会在限定的范围内发生变化，从而使其性能也会发生相应的变化;因此,分析五个因素(即NXP、直径的喷嘴出口收缩部分,混合室和扩散室,和统一的截面积部分的长度混合室)表演的喷射器进行了在给定边界条件下通过CFD模拟方法。

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