CN111271326B - 一种超声速喷射器设计和评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声速喷射器设计和评价方法，在方法中，假设虚拟喷嘴，设定虚拟喷嘴除流量之外，其入口处的所有参数和一次流体的状态完全相同，根据虚拟喷嘴的喉部面积、虚拟喷嘴出口的面积和扩压后的压力，分别计算喷射器的喉部面积、混合腔截面积和喷射器出口背压；根据虚拟喷嘴出口的面积和喷射器混合腔的截面积的比值关系，和虚拟喷嘴扩压后的压力和出口压力的比值关系对喷射器进行评价。本发明通过“等价能量”和“等价能量转换”设计超声速喷射器，同时，该方法在评价超声速喷射器方面具有一定的优势。

Description

一种超声速喷射器设计和评价方法

技术领域

本发明涉及喷射器领域，尤其涉及一种超声速喷射器设计和评价方法。

背景技术

喷射器用途十分广泛，在包含有喷射器的系统中，喷射器往往都是最重要的核心部件之一。由于喷射器在含有喷射器的系统中的地位十分重要，因此，喷射器受到了广泛的研究，主要有三个方面，一是喷射器内部流动的理论研究；二是通过设计方法的改进来优化喷射器的工作性能；三是开展相关的实验研究进行相应的验证。

超声速喷射器是喷射器中最复杂的，其内部的工作过程十分复杂，工作机理尚未足够清晰，涉及超声速流动、激波、湍流混合和两相流动等因素，使得喷射器的设计优化难度较大，而且需要较多的评价指标来评估喷射器。

研究学者先后采用了等面积混合、等压混合、等动量变化率以及计算流体力学(CFD)的方法来研究喷射器的设计和工作过程。在众多的喷射器研究中，等压混合结合等面积混合的理论计算和设计方法受到了最多的研究和最广泛的应用。等压混合理论假定工作流体和引射流体的混合过程是在一定的压力下发生的，并且该压力保持稳定，直到混合结束。等面积混合理论假定混合过程是在一个截面积相等的圆柱段完成。

在评价喷射器方面，最常用的评价指标有引射系数(二次流体(引射流体)和一次流体(工作流体)的质量流量的比值)、性能系数(COP)、面积比(混合室截面积与喷嘴喉部截面积的比值)和提升压力比(喷射器背压和蒸发压力的比值)。其中，引射系数和性能系数COP是最基本的评价指标；面积比是喷射器最重要的结构尺寸；提升压力比用于衡量二次流体从一次流体获得的克服喷射器背压的能力。虽然面积比和提升压力比都能够作为评价指标，但是无法确定其好坏的程度，尤其当涉及到多个不同喷射器的时候。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种超声速喷射器设计和评价方法。

具体方案如下：

一种超声速喷射器设计方法，已知喷射器中一次流体的流量、温度、压力和焓值，二次流体的流量、温度、压力和焓值，则喷射器的喉部面积、混合腔截面积和喷射器出口背压的计算方法为：

假设虚拟喷嘴，所述虚拟喷嘴包括喷嘴入口、喷嘴喉部、喷嘴出口、激发部和扩压段，其中虚拟喷嘴的喷嘴入口的流量m_v的计算公式为：

其中，m_p表示一次流体的流量，m_e表示二次流体的流量，T_p表示一次流体的温度，T_e表示二次流体的温度；

设定虚拟喷嘴的喷嘴入口处的温度、压力和焓值均分别与一次流体的温度、压力和焓值相同；

根据虚拟喷嘴的喉部面积、虚拟喷嘴出口的面积和扩压后的压力，分别计算喷射器的喉部面积、混合腔截面积和喷射器出口背压。

进一步的，根据虚拟喷嘴的喉部面积计算喷射器的喉部面积的过程为：

(1)根据下式计算虚拟喷嘴的喉部面积A_vt：

其中，P_p表示一次流体的压力，R表示气体常数，k表示绝热指数；

(2)根据下式和虚拟喷嘴的喉部面积A_vt计算喷射器喷嘴的喉部面积A_t；

其中，ω表示引射系数，ω＝m_e/m_p。

进一步的，根据虚拟喷嘴出口的面积计算喷射器的混合腔截面积的过程为：

(1)根据下式计算虚拟喷嘴出口的马赫数M_v3；

其中，u_p2表示一次流体在喷射器的喷嘴出口处的速度，u_e2表示二次流体在喷射器的喷嘴出口处的速度，u₃表示喷射器中一次流体和二次流体混合后在混合腔中的速度，M₃表示喷射器中一次流体和二次流体混合后在混合腔中的马赫数，P_e表示二次流体的压力；

(2)根据下式计算虚拟喷嘴出口的面积A_v3：

(3)根据下式和虚拟喷嘴出口的面积A_v3，计算喷射器混合腔的截面积A₃：

进一步的，根据虚拟喷嘴扩压后的压力计算喷射器出口背压的过程为：

(1)根据下式计算虚拟喷嘴出口的压力P_v3：

(2)根据下式计算虚拟喷嘴激波发生后的马赫数M_v4；

(3)根据下式计算虚拟喷嘴激波发生后的压力P_v4；

(4)根据下式计算虚拟喷嘴扩压后的压力P_v5；

(5)根据下式和虚拟喷嘴扩压后的压力P_v5，计算喷射器的出口压力P₅；

一种超声速喷射器评价方法，根据虚拟喷嘴出口的面积和喷射器混合腔的截面积的比值关系对喷射器进行评价，比值越大时，喷射器的尺寸需求越大。

一种超声速喷射器评价方法，根据虚拟喷嘴扩压后的压力和出口压力的比值关系对喷射器进行评价，比值越小时，喷射器对冷却源的需求越高。

本发明采用如上技术方案，提出了一种超声速喷射器的设计和评价方法，通过“等价能量”和“等价能量转换”设计超声速喷射器，相比于现有设计方法，计算过程更加的简单，同时，该方法在评价超声速喷射器方面具有一定的优势。

附图说明

图1所示为本发明实施例中喷射器的结构原理图。

图2所示为该实施例中构建的虚拟喷嘴的结构原理图。

具体实施方式

为进一步说明实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

假定要设计一个超声速喷射器，已知喷射器中一次流体的流量m_p、温度T_p、压力P_p和焓值h_p，二次流体的流量m_e、温度T_e、压力P_e和焓值h_e，求解喷射器的喉部面积、混合腔截面积和喷射器出口背压。

针对上述问题，本发明实施例提供了一种超声速喷射器设计方法，用于求解上述问题。

喷射器的结构原理图如图1所示，主要由喷嘴、吸入腔、混合腔和扩压段组成。喷嘴将高压的工作流体转换为高速运动的低压流体，并在喷嘴出口的吸入区形成一个低压区域，从而使引射流体被引入到吸入腔，并与工作流体在混合腔内进行能量交换，然后经扩压段扩压后排出。图1中，0为喷嘴入口，代表一次流体的初始状态；t为喷嘴喉部；1为喷嘴出口；2为混合腔入口，代表混合前的状态；3为激波发生的位置，代表混合后激波发生前的状态；4为混合腔出口，扩压段的入口，代表激波发生后的状态；5为扩压段出口。

该实施例中为了便于计算，在混合之前，工作流体(一次流体)和引射流体(二次流体)独立工作，直到各自的压力都等于混合压力。因此，可以将混合之前的工作过程看成两个独立的虚拟喷嘴的工作过程，工作流体对应的虚拟喷嘴设为Nozzle P，引射流体对应的虚拟喷嘴设为Nozzle E。Nozzle P和Nozzle E在某些重要位置的参数如表1所示。

表1

Nozzle P的流量和喉部面积关系如式(1)所示：

根据等压混合理论，以及Nozzle E在位置2达到临界状态(马赫数和无因此速度等于1)，可求出混合压力如式(2)所示：

Nozzle P和Nozzle E在位置2为饱和状态，因此，其温度可由式(3)计算：

喷嘴Nozzle P在出口位置2的马赫数和压力的关系如(4)所示：

根据马赫数和无因次速度的关系式(5)和式(4)可计算出Nozzle P在位置2的无因次速度，如式(6)所示：

根据无因次速度和临界音速的关系，可以计算喷嘴(Nozzle P)在出口位置2的速度，如式(7)所示：

根据喷嘴出口面积和喉部面积的关系，可计算(Nozzle P)在出口位置2的面积，如式(8)所示：

Nozzle E的流量和喉部面积关系如式(9)所示：

根据能量守恒和式(3)，可得(Nozzle E)在位置2的速度，如式(10)：

根据式(8)和(9)，可得混合段面积如式(11)：

根据动量守恒，可得混合流体(即一次流体和二次流体混合后的流体)在3的速度，如式(12)：

根据能量守恒，可得混合流体在3的温度，如式(13)：

根据式(12)和(13)，可得混合流体在3的马赫数，如式(14)：

发生正激波后混合流体的马赫数和压力如式(15)和(16)所示：

经过扩压段后，混合流体在位置5的压力如式(17)所示：

该实施例中，为了计算喷射器的喉部面积、混合腔截面积和喷射器出口背压，假定了一个虚拟喷嘴Nozzle V，其结构原理图如图2所示。图2中，0为喷嘴入口，代表一次流体的初始状态；t为喷嘴喉部；1(2)为喷嘴出口；3为激波发生的位置，代表激波发生前的状态；4扩压段的入口，代表激波发生后的状态；5为扩压段出口。Nozzle V在某些重要位置的参数如表1所示。

设定虚拟喷嘴Nozzle V除流量之外，其入口处的所有参数和一次流体Nozzle P的状态完全相同，即虚拟喷嘴的喷嘴入口处的温度、压力和焓值均分别与一次流体的温度、压力和焓值相同。

假定Nozzle V入口的总能量等于Nozzle P和Nozzle E入口处总能量之和，这样就可以通过“等价能量”的方法将二次流体的流量换算成一次流体初始状态下的流量，并由式(18)计算Nozzle V的质量流量m_v，计算结果如式(19)所示。

m_p·h_p+m_e·h_e＝m_v·h_p (18)

假定Nozzle V在位置3的能量转换率和喷射器在位置3的能量转换率相同，也就是“等价能量转换”，这样可以根据式(20)计算Nozzle V在激波发生前的流速，结果如式(21)所示；

根据能量守恒式(22)和式(20)，可以计算Nozzle V在位置3的温度T_v3，结果如式(23)：

根据式(21)和(23)，可以计算Nozzle V在位置3的马赫数M_v3和喷射器混合流体混合均匀但尚未发生激波的马赫数M₃相同，如式(24)所示：

根据喷嘴出口马赫数和进出口压力的关系式(25)，可以计算出喷嘴出口的压力P_v3，结果如式(26)所示：

Nozzle V发生正激波后的马赫数和压力如式(27)和(28)所示：

经过扩压段后，Nozzle V在位置5的压力如式(29)所示：

根据式(1)和式(19)可求得Nozzle V的喉部面积A_vt，如式(30)所示：

根据喷嘴出口面积和喉部面积以及马赫数的关系，可以求得Nozzle V的喷嘴出口面积A_v3，如式(31)所示

由式(11)、(30)和(31)可求出喷射器混合段截面积和Nozzle V喷嘴出口面积的比值，如式(32)所示：

由式(2)、(16)、(17)和(26)～(29)可求出喷射器出口压力和Nozzle V出口压力的比值，如式(33)所示：

综上，可以得到：

1.根据虚拟喷嘴的喉部面积计算喷射器的喉部面积的过程为：

(1)根据下式计算虚拟喷嘴的喉部面积A_vt：

其中，P_p表示一次流体的压力，R表示气体常数，k表示绝热指数；

(2)根据下式和虚拟喷嘴的喉部面积A_vt计算喷射器喷嘴的喉部面积A_t；

其中，ω表示引射系数，ω＝m_e/m_p。

2.根据虚拟喷嘴出口的面积计算喷射器的混合腔截面积的过程为：

(1)根据下式计算虚拟喷嘴出口的马赫数M_v3；

其中，u_p2表示一次流体在喷射器的喷嘴出口处的速度，u_e2表示二次流体在喷射器的喷嘴出口处的速度，u₃表示喷射器中一次流体和二次流体混合后在混合腔中的速度，M₃表示喷射器中一次流体和二次流体混合后在混合腔中的马赫数，P_e表示二次流体的压力；

(2)根据下式计算虚拟喷嘴出口的面积A_v3：

(3)根据下式和虚拟喷嘴出口的面积A_v3，计算喷射器混合腔的截面积A₃：

根据虚拟喷嘴扩压后的压力计算喷射器出口背压的过程为：

(1)根据下式计算虚拟喷嘴出口的压力P_v3：

(2)根据下式计算虚拟喷嘴激波发生后的马赫数M_v4；

(3)根据下式计算虚拟喷嘴激波发生后的压力P_v4；

(4)根据下式计算虚拟喷嘴扩压后的压力P_v5；

(5)根据下式和虚拟喷嘴扩压后的压力P_v5，计算喷射器的出口压力P₅；

另外，通过式(32)和(33)还可以对喷射器进行评价，即：

由式(32)可以在总能量相同、能量转化率相同的条件下，分析二次流体的初始温度或压力偏离一次流体的初始温度或压力的程度而带来的对混合腔截面积的增加程度，即当

的值越大时，喷射器需要的尺寸越大。

由式(33)可以在总能量相同、能量转化率相同的条件下，分析二次流体的初始温度或压力偏离一次流体的初始状态的程度而带来的对背压的降低程度，即当

的值越小时，需要克服的阻力越大，对冷却源的需求越高。

本发明实施例提出了一种设计和评价超声速喷射器的方法，在构建虚拟喷嘴Nozzle V的基础上，通过“等价能量”的方法将喷射器的二次流体的流量换算成一次流体初始状态下的流量；通过“等价能量转换”的方法计算虚拟喷嘴Nozzle V出口的相关参数如截面积、无因次速度、马赫数、压力等；并在此基础上计算扩压段出口压力；从而为喷射器的设计提供了新的方法。此外，由于虚拟喷嘴Nozzle V只有一种入口参数状态，为超声速喷射器的评价提供了基础，可以在总能量相同、能量转化率相同的条件下，分析二次流体的初始温度或压力偏离一次流体的初始状态的程度而带来的对混合腔截面积的增加程度和对背压的降低程度，从而为评价超声速喷射器提供了新的手段。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种超声速喷射器设计方法，其特征在于：已知喷射器中一次流体的流量、温度、压力和焓值，二次流体的流量、温度、压力和焓值，则喷射器喷嘴的喉部面积、混合腔截面积和喷射器出口背压的计算方法为：

假设虚拟喷嘴，所述虚拟喷嘴包括喷嘴入口、喷嘴喉部、喷嘴出口、激发部和扩压段，其中虚拟喷嘴的喷嘴入口的流量m_v的计算公式为：

其中，m_p表示一次流体的流量，m_e表示二次流体的流量，T_p表示一次流体的温度，T_e表示二次流体的温度；

设定虚拟喷嘴的喷嘴入口处的温度、压力和焓值均分别与一次流体的温度、压力和焓值相同；

根据虚拟喷嘴的喉部面积、虚拟喷嘴出口的面积和扩压后的压力，分别计算喷射器喷嘴的喉部面积、混合腔截面积和喷射器出口背压；

根据虚拟喷嘴的喉部面积计算喷射器喷嘴的喉部面积的过程为：

(1)根据下式计算虚拟喷嘴的喉部面积A_vt：

其中，P_p表示一次流体的压力，R表示气体常数，k表示绝热指数；

(2)根据下式和虚拟喷嘴的喉部面积A_vt计算喷射器喷嘴的喉部面积A_t；

其中，ω表示引射系数，ω＝m_e/m_p；

根据虚拟喷嘴出口的面积计算喷射器的混合腔截面积的过程为：

(1)根据下式计算虚拟喷嘴出口的马赫数M_v3；

其中，u_p2表示一次流体在喷射器的喷嘴出口处的速度，u_e2表示二次流体在喷射器的喷嘴出口处的速度，u₃表示喷射器中一次流体和二次流体混合后在混合腔中的速度，M₃表示喷射器中一次流体和二次流体混合后在混合腔中的马赫数，P_e表示二次流体的压力；

(2)根据下式计算虚拟喷嘴出口的面积A_v3：

(3)根据下式和虚拟喷嘴出口的面积A_v3，计算喷射器混合腔的截面积A₃：

根据虚拟喷嘴扩压后的压力计算喷射器出口背压的过程为：

(1)根据下式计算虚拟喷嘴出口的压力P_v3：

(2)根据下式计算虚拟喷嘴激波发生后的马赫数M_v4；

(3)根据下式计算虚拟喷嘴激波发生后的压力P_v4；

(4)根据下式计算虚拟喷嘴扩压后的压力P_v5；

(5)根据下式和虚拟喷嘴扩压后的压力P_v5，计算喷射器的出口背压P₅；

2.一种超声速喷射器评价方法，其特征在于：根据权利要求1中喷射器混合腔的截面积和虚拟喷嘴出口的面积的比值关系对喷射器进行评价，比值越大时，喷射器的尺寸需求越大。

3.一种超声速喷射器评价方法，其特征在于：根据权利要求1中喷射器的出口背压和虚拟喷嘴扩压后的压力的比值关系对喷射器进行评价，比值越小时，喷射器对冷却源的需求越高。

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