CN102142048A - 一种用于引射器的通用优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于引射器的通用优化设计方法，包括如下步骤：(1)计算工质的动力粘性相似性；(2)确定伪激波长度的区间范围；(3)确定混合室的最佳长度；(4)根据实际需求，调整混合室长度及喷嘴位置；(5)确定引射器的最佳工作区间范围。本发明满足对最优的引射系数值或者最大的引射流量值的要求；提供了影响喷射器性能的关键尺寸——混合室最优长度的确定方法，该方法具有通用性，不再仅仅适用于某类特定引射器，可无视工质物性与集态，适用范围广。

Description

一种用于引射器的通用优化设计方法

技术领域：

本发明属于物理领域，涉及一种利用高压流体的射流作用抽吸低压流体进行质量和能量传递的装置，尤其是一种引射器及其优化设计的方法。

背景技术：

引射器是一种利用高压流体的射流作用抽吸低压流体进行质量和能量传递的装置，可用于流体输送、压力恢复或作为传质和化学混合反应设备以及真空设备，具有结构简单、运行可靠、安装维护方便等优点，可直接利用各种有压能源和低品位能源(废热、余热、太阳能等)作为工作动力，在动力、石油化工、制冷、冶金、宇航推进等技术领域有着广泛的应用，在高能激光器领域也开辟了新的广阔的应用前景。

Keenan和Neumann最先对引射器作了比较全面的理论分析和实验研究，提出了等压混合理论和等面积混合理论，形成了引射器的一维设计理论的基础。之后，众多学者采用实验方法对引射器进行研究，在大量实验的基础上提出一些经验公式，或通过经验系数对原有理论(一维理论)进行修正。但实验结果往往具有很强的局限性，应用推广起来相当困难，而由于对引射器里真实流体的混合和流动过程进行了大量简化，一维的分析方法其精确性受到很大的限制，存在较大缺陷。近年来，计算机技术和计算流体力学的迅速发展，使得采用数值方法(CFD)模拟求解超声速引射器流场成为可能，引射器的设计理论也得到了很大的发展与改善。数值方法的分析结果更为贴近实际流动状况，分析精度也大为提高，被广泛地应用于引射器的结构设计当中。

引射器主要由工作喷嘴、接受室、混合室及扩压室组成，其中混合室结构对引射器的性能有很大影响。混合室过短，工作流体和被引射流体在混合室内不能充分混合，会使引射器的性能大大降低；而混合室若是过长，则会由于沿程损失消耗大量流体能量，使得引射器效率降低，同时也大量消耗加工材料，导致生产成本提高，经济性下降。目前对引射器混合室长度的研究主要采用实验和CFD方法，而由于引射器种类、运行工况及所采用工质的不同，得出的最佳长度也不尽相同，没有形成一个通用的标准来指导引射器的优化设计。因而，采用一个简单有效的方法来确定引射器混合室的最佳长度对引射器性能的提升至关重要，具有重要的现实意义。

发明内容：

本发明的目的在于，提供一种新的面向引射器装置设计和优化的通用原则的方法，以一个通用的原则和思想来指导引射器设计，不再局限于工质种类和集态的影响，不仅适用于单相气体引射器、也适用于气液两相引射器等多类引射器，而且适用于引射器的绝大部分运行工况。本发明的优化方法包括两个方面的内容，分别针对引射器的运行工况(压力参数)和结构参数(混合室相对长度)进行优化设计，达到减小运行成本，提高引射性能的目的。本发明的优化方法简单有效，只需计算一个关键参数，经济性明显优于实验方法，其结论不再受引射器种类的制约，对喷射器结构设计和效率提升具有普遍适用性。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种用于引射器的通用优化设计方法，包括如下步骤：

(1)工作流体和引射流体的动力粘性系数相似度可表征为：

$T({\mathrm{\μ}}_P,{\mathrm{\μ}}_S)=({\mathrm{\μ}}_P\·{\mathrm{\μ}}_S)/({\mathrm{\μ}}_P^2+{\mathrm{\μ}}_S^2-{\mathrm{\μ}}_P\·{\mathrm{\μ}}_S);$

T是相似性度量参数；μ_P是工作流体的动力粘性系数，μ_S是引射流体的动力粘性系数；

(2)根据相似性度量参数T计算确定伪激波长度L_PS的区间范围；

如果0.95＜T≤1，则伪激波的无量纲长度L_PS/D区间为[5，7]，转步骤(4)；如果T≤0.95，则转步骤(3)；

其中L_PS是伪激波长度、D为混合室直径；

(3)如果T＜0.2，则伪激波无量纲长度范围是[1，2]，转步骤(4)；

如果0.2＜T≤0.95，则伪激波无量纲长度范围是[3，5]，转步骤(4)；

(4)调整混合室长度及喷嘴位置，使混合室长度大于等于伪激波无量纲长度的值。

所述工作流体是单相氮气、氦气引射时：(L_m/D)∈[5，7]；

所述工作流体是氮气引射水、氦气引射液氧时：(L_m/D)∈[1，2]；

所述工作流体是氦气引射液氢时：(L_m/D)∈[4，5]；

L_m是最佳混合室长度、D为混合室直径。

(5)确定引射器的最佳工作区间范围。

所述引射器的工作压力和引射压力范围所组成的矩形工作区间划分为推荐使用工作区域、非工作区域、不推荐工作区、过渡区域五个不同区域；在工作流体压力一定时，推荐使用工作区域的引射流量最大，引射系数也达到最高，引射器的经济性最高；在整个矩形工作区间内可使用工作区域的引射流量最大，超过推荐使用工作区域的引射流量值，但工作流体消耗量也增加，引射系数相对会降低。

1.工作参数的优化选择：

根据引射器的工作机理，将引射器的工作范围划分为五个不同区域，设计以及操作运行时可以根据工作要求不同，合理选择引射器的不同工作状态区间，以满足对最大的引射流量或者最高的引射系数值的要求。

(1)推荐使用工作区域。在此区间引射器处在最佳工作状态，当工作流体压力一定时，在此区域的引射流量最大，而且引射系数也达到最高，即引射器的经济性最高。其内在的机理是，引射器在此工作范围内保证工作流体处在音速状态，不存在膨胀损失。

(2)可使用工作区域。在此区间引射器的引射能力很高，引射流量很大，超过推荐使用工作区域的引射流量值，但由于工作流体消耗量也增加，致使该区域引射系数相对会降低。该区间有弱的正激波的存在，有一定的能量损耗。当对引射流体有大流量需求时，引射器可工作在该区域，但其经济性并非最好。

(3)非工作区域。在此区间工作流体未能够达到音速状态，引射器的引射能力差。引射器应避免在此区域工作。

(4)不推荐工作区。在此区间引射器的引射效果不好。虽然处在超音速引射状态，但引射流体压力过低，出口处有膨胀波存在，工作气体的膨胀损失较大。因此，不推荐引射器在此区域工作。

(5)过渡区域。在此区域引射器工作能够正常引射流体，但工作气体有一定的膨胀损失，出口处有斜激波存在，工作经济性不好。

2.混合室结构的优化设计

在一般情况下，超声速流动向亚声速流动的转化往往不是通过简单的正激波或斜激波结构实现的。由于激波和射流边界层之间的相互作用，工作流体在离开喷嘴后会出现加速-减速交替、压力波动式升高的现象(激波串现象)，射流边界层不断的收缩与扩张，流场结构呈现出复杂、多样的特点。激波串连同其后的混合区域被统称为伪激波(pseudo-shock)，混合区域内压力达到局部最大值的位置一般认为是伪激波结束的位置。

本发明的结构优化方法，通过分析工作流体和引射流体的物性差异，先进行伪激波长度的区间判断，根据伪激波长度和混合室长度之间的关系来确定其最佳长度，包括下述步骤：

步骤一，采用物性查询软件如NIST-REFPROP获得工作流体和引射流体的动力粘性系数μ_P、μ_S；

步骤二，引入相似性度量参数——Tanimoto系数来描述工作流体和引射流体之间的相互关系，二者动力粘性系数相似度可表征为： $T({\mathrm{\μ}}_P,{\mathrm{\μ}}_S)=({\mathrm{\μ}}_P\·{\mathrm{\μ}}_S)/({\mathrm{\μ}}_P^2+{\mathrm{\μ}}_S^2-{\mathrm{\μ}}_P\·{\mathrm{\μ}}_S);$

步骤三，根据Tanimoto系数计算确定伪激波长度L_PS的区间范围；工作流体和引射流体的动力粘性系数相似度越高，如属于同相引射的气体引射器，伪激波长度越长，反之，二者差别越大，伪激波长度越短，0.95＜T≤1时伪激波的无量纲长度L_PS/D区间为[5，7]，其中D为混合室直径，T＜0.2也即常规的气液引射时，伪激波无量纲长度范围是[1，2]。

步骤四，根据伪激波长度和混合室最佳长度之间的关系，确定混合室最佳长径比。混合室最佳长度与伪激波长度的值相当，最佳长径比的取值一般为大于伪激波无量纲长度的最小整数。

步骤五，确定混合室长度。混合室要确保其长度略大于最佳值，若由于实际需要或设计要求使得引射器长度不能达到最佳值，可向上游移动工作喷嘴以保证高的引射性能。

本发明的有益效果是：形成了较为明确的通用原则，对工作参数选择和引射器结构设计具有指导性。在设计以及操作运行时可以根据工作要求(追求最佳引射性能或者追求最大引射流量)不同，合理选择引射器的不同工作状态区间，以满足对最高的引射系数值或者最大的引射流量值的要求；提供了影响喷射器性能的关键尺寸——混合室最优长度的确定方法，该方法具有通用性，不再仅仅适用于某类特定引射器，可无视工质物性与集态，适用范围广。本发明为引射器的优化设计和参数选择提供简洁的思路和有效的方法。

附图说明：

图1是本发明的引射器结构示意图；

图2是本发明的工作参数优化设计及工作区域划分实例图；

图3是本发明的混合室结构优化的工作流程示意图；

图4是本发明中展示的不同结构下的伪激波无量纲长度；

图5是本发明中展示的不同运行工况下的伪激波无量纲长度。

其中：1为吸入室；2为混合室；3为扩压室；4为喷嘴。Ф为混合室面积比，p_P为工作流体压力，p_s为引射流体压力。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-2，以氮气引射水和氦气引射液氧两种气液两相引射器为例，对引射器的各个工作状态区间进行分析，其中，引射流体的压力范围为0.25MPa～1.1MPa，工作气体的压力范围为1.0MPa～3.0MPa，混合室长径比均为7。气液引射器各工作状态区间的分布如图1所示。

当引射器运行在AB线时，喷嘴处于临界状态。在AB线的左上侧，为亚音速区；在AB线的右下侧，为超音速区。通过计算发现，氦气引射液氧时，线AB的斜率约为0.67，氮气引射水时，斜率约为0.7。整个工作区间可划分为五个区域：

(1)区域I：推荐使用工作区域。引射器在此工作范围内保证工作流体处在音速状态，也不存在膨胀损失，当工作压力一定时，在此区域的液氧引射流量最大，而且引射系数也达到最高，引射器处在最佳工作状态，此区间内，引射流量和引射系数随着工作压力的增加而增加。

(2)区域II：可使用工作区域。该区间有弱的正激波的存在，有一定的能量损耗。在此区间引射器的引射能力很高，引射的液氧或水流量很大，超过工作区域的引射流量值，但由于工作气体消耗量也增加，致使流量系数相对于区域I会降低。如果需要加大引射器引射能力时，可以工作在此区域，但引射器的经济性并非最好。此区间内，引射流量随着工作压力的增加而增加。

(3)区域III：非工作区域。在此区间工作流体未能够达到音速状态，引射器的引射能力差。引射器应该避免在此区域工作。

(4)区域IV：不推荐工作区。此区间虽然处在超音速引射状态，但引射流体压力过低，喷嘴出口有膨胀波存在，工作气体的膨胀损失较大，导致引射器的引射效果不好，故不推荐引射器在此区域工作。

(5)区域V：过渡区域。在此区域引射器工作能够正常引射流体，但工作气体有一定的膨胀损失，出口处有斜激波存在，工作经济性不好。在此区间，随着工作气体压力的增加液氧引射流量也会逐渐增加。

参见图3-5，采用五组工质作为实例，对本发明的结构优化方法进行详细说明，五组工质分别为：氮气-氮气、氦气-氦气、氮气-水、氦气-液氧、氦气-液氢，分别涉及超音速单相气体引射器和气液两相引射器，温度区间从常温变化到低温。

第一步，物性查询：在NIST Chemistry WebBook上查得五组不同工质情况下工作流体和引射流体的动力粘性系数μ_P、μ_S，如表1所示；

第二步，衡量工作流体和引射流体的粘性相似度：采用Tanimoto系数进行计算，其结果见表1，其中，

第三步，确定伪激波长度L_PS的区间范围：工作流体和引射流体的动力粘性系数相似度越高，伪激波长度越长，反之，二者差别越大，伪激波长度越短。根据表1所示，五组工质可分为三类：(1)氮气-氮气、氦气-氦气，该类工质Tanimoto系数的范围是0.99＜T≤1，工作流体和引射流体的动力粘性系数相似度很高，属于同相引射；(2)氮气-水、氦气-液氧，T≤0.1，该类工质工作流体和引射流体相似度非常低，属于典型的气液两相引射；(3)氦气-液氢，该类工质虽然也属于两相引射，但由于液氢性质的特殊性，即其粘性系数与气体相当，工作流体和引射流体的粘性相似度也很高，相比而言Tanimoto系数更接近于单相气体引射时的值。相应地，伪激波的长度也分为三种情况，无量纲长度L_PS/D分别处于[5，7]、[1，2]和[4，5]三个不同区间，如图3、图4所示；

第四步，确定混合室最佳长径比L_m/D：混合室最佳长度与伪激波长度的值相当，对上述的三类共五组工质而言，最佳混合室长径比分别为：单相氮气、氦气引射时，(L_m/D)∈[5，7]；氮气引射水、氦气引射液氧时(L_m/D)∈[1，2]；氦气引射液氢时(L_m/D)∈[4，5]。

第五步，确定混合室长度：一般来说，要确保混合室长度略大于其最佳值，若由于实际需要或设计要求使得引射器长度不能达到最佳值，可向上游移动工作喷嘴以保证高的引射性能。

具体实施时，采用CFD方法对多个结构的引射器进行了数值计算，以测试本发明的结构优化方法，研究的工况范围为：引射流体的压力分别为0.25MPa和0.50MPa，工作气体的压力范围为1.0MPa～4.0MPa，混合室长径比的变化范围为0～10。数值计算结果表明，相同工况下单相气体引射器在混合室长径比为5～7时引射流量最大，引射效率最高，该比值随压力比(工作压力与引射压力之比)的增加会略有增加(由5增加到7)，而常规的气液引射器如氮气-水、氦气-液氧引射器，在长径比为1时引射性能最好，与此同时，通过CFD方法得到的液氢引射器的最佳混合室长度约为4倍的混合室直径，介于气体引射器和常规的气液引射器之间，数值计算结果与本发明的优化结果吻合良好，验证了本发明优化方法的有效性。

表1不同引射情况下粘性系数对比及其相似性度量

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种用于引射器的通用优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)计算工质的动力粘性相似性；

(2)确定伪激波长度的区间范围；

(3)确定混合室的最佳长度；

(4)根据实际需求，调整混合室长度及喷嘴位置；

(5)确定引射器的最佳工作区间范围。

2.如权利要求1所述一种用于引射器的通用优化设计方法，其特征在于：

(1)表征工作流体和引射流体的动力粘性系数相似度：

$T({\mathrm{\μ}}_P,{\mathrm{\μ}}_S)=({\mathrm{\μ}}_P\·{\mathrm{\μ}}_S)/({\mathrm{\μ}}_P^2+{\mathrm{\μ}}_S^2-{\mathrm{\μ}}_P\·{\mathrm{\μ}}_S);$

T是相似性度量参数；μ_P是工作流体的动力粘性系数，μ_S是引射流体的动力粘性系数；

(2)根据相似性度量参数T计算确定伪激波长度L_PS的区间范围；

如果0.95＜T≤1，则伪激波的无量纲长度L_PS/D区间为[5，7]，转步骤(4)；如果T≤0.95，则转步骤(3)；

其中L_PS是伪激波长度、D为混合室直径；

(3)如果T＜0.2，则伪激波无量纲长度范围是[1，2]，转步骤(4)；

如果0.2＜T≤0.95，则伪激波无量纲长度范围是[3，5]，转步骤(4)；

(4)调整混合室长度及喷嘴位置，使混合室长度大于等于伪激波无量纲长度的值。

3.如权利要求2所述一种用于引射器的通用优化设计方法，其特征在于：

所述工作流体是单相氮气、氦气引射时：(L_m/D)∈[5，7]；

所述工作流体是氮气引射水、氦气引射液氧时：(L_m/D)∈[1，2]；

所述工作流体是氦气引射液氢时：(L_m/D)∈[4，5]；

L_m是最佳混合室长度、D为混合室直径。

4.如权利要求1所述一种用于引射器的通用优化设计方法，其特征在于：所述引射器的工作压力和引射压力范围所组成的矩形工作区间划分为推荐使用工作区域、非工作区域、不推荐工作区、过渡区域五个不同区域。

5.如权利要求4所述一种用于引射器的通用优化设计方法，其特征在于：在工作流体压力一定时，推荐使用工作区域的引射流量最大，引射系数也达到最高，引射器的经济性最高；在整个矩形工作区间内可使用工作区域的引射流量最大，超过推荐使用工作区域的引射流量值，但工作流体消耗量也增加，引射系数相对会降低。

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