基于MATLAB 的除油雾空气引射器设计计算

卢大杰 李耀华 钱革兰 张永生

（阿特拉斯·科普柯（无锡）压缩机有限公司）

气体引射器是一种输送气体的装置，通过高压气体流经引射器喷嘴产生的高速射流去引射另一种低压气体。 这种装置不需要采用任何动力装置就能够把主引射流的压力能转化成动能，具有运行稳定、不易损坏、低能耗和静音的优点，近年来逐渐发展成一种成熟的气体输送装置，在化工、空气压缩机、航天航空和制冷行业广泛应用。目前，学者们大多主要关注的是引射器性能方面的 研 究［1～5］，并 未 给 出 具 体 与 全 面 的 设 计 计 算 方法。

由于阿特拉斯·科普柯（无锡）压缩机有限公司某项目需要，笔者对除油雾空气引射器进行设计计算。 此项目的主流气体和被引射气体的压力比（大于1.89）较大，当引射器的压力比较大时，等压引射器的引射效率较大［1］。虽然Huang B J 等给出了较为精确的等压引射器性能计算关系式［2］，但是文献［1］研究的是引射制冷剂的性能。为此，笔者把这些关系式处理成适用于除油雾空气引射器尺寸设计计算的形式，并给出具体的计算流程，利用MATLAB 软件计算除油雾空气引射器的主要结构尺寸，以便于工程技术人员利用。

1 除油雾空气引射器设计计算

等压混合引射器（图1）的混合室由收缩段和平直段构成。 在收缩段，主流气体与被引射气体的混合是等压混合过程，轴线方向气流的静压保持不变。 在平直段，气流由超音速变为亚音速，轴线方向的气压不断升高。

图1 等压混合引射器结构示意图

引射器内部经历着一系列复杂的流动与换热过程，因此需要做一些理想化假设：

a. 学者们的经验发现采用1-D 模型的计算结果与实验结果较为吻合，因此将引射器模型简化成1-D 稳定流动模型；

b. 将工作气体视为理想气体，即流动混合过程中热物理参数 （如绝热指数γ 和定压比热容Cp）是恒定的；

c. 忽略主流气体入口、被引射气体入口和混合气体出口处的动能；

d. 气体在引射器中的流动过程是绝热的，并且忽略壁面上的摩擦损失；

e. 两种气体在y-y 截面才开始混合， 在y-y截面处主流气体与被引射气体的压力是相等的。

1.1 主流气体流动特性关系式（从主流气体进口到y-y 截面）

为了便于简化公式和编程，定义中间参数a：

对于给定的主流气体进气压力pg和进气温度Tg，通过喷嘴的质量流量·mp计算式为：

其中，At是喷嘴喉部面积，ηp是主流气体流经喷嘴的等熵效率。

定义任意处的截面积与喉径（M=1）处的面积比是马赫数的函数，则有：

喷嘴出口马赫数Mp1、喷嘴出口截面积Ap1和喷嘴出口压力pp1之间有如下近似关系：

从1-1 截面到y-y 截面，马赫数Mpy和Mp1、截面积Apy和Ap1与压力ppy和pp1之间的关系可由等熵关系式表示，即：

其中，φp为等熵效率。

1.2 被引射气体流动特性关系式（从被引射气体进口到y-y 截面）

被引射气体在y-y 截面达到阻塞状态， 此时Msy=1，对于给定的被引射气体进气压力pe，有：

在y-y 截面处主流气体与被引射气体有相同的压力，即ppy=psy，则Asy为：

其中， ·ms是被引射气体的质量流量，ηs是被引射气体的等熵效率。

1.3 混合气体流动特性关系式（从y-y 截面到3-3 截面）

3-3截面处的截面积A3等于Apy与Asy之和，即：

在y-y 截面处， 温度和马赫数之间有如下关系：

主流气体与被引射气体在混合过程中（从y-y截面到m-m 截面）遵循动量和能量守恒，即：

其中，φm是混合气体绝热效率。 Vpy、Vsy、Vm计算式如下：

混合后的气体由超音速转变为亚音速， 在轴线方向会有急剧的压力升高， 符合动力学关系式：

其中，p3是3-3 截面处混合气体压力，M3是3-3 截面处混合气体的马赫数。

喷管出口处混合气体是亚音速，则有：

混合气体引射器出口马赫数Mc、截面积Ac和压力pc有如下近似关系：

其中，A3是3-3 截面处的截面积。

喷嘴出口1-1 到混合室平直段入口2-2 的距离通常为喉径的1.5～1.6 倍。 平直段的长度约为混合室直径的3～5 倍，考虑到被引射气体含有油雾，可以把混合室长度选取得长一点。 喷管的半角通常在2～5°。

2 主要结构尺寸计算流程与结果

根据上述公式，用MATLAB 软件进行编程计算，给定的初始条件有主流气体的压力pg和温度Tg，被引射气体的压力pe和温度Te，质量流量m·s，混合气体出口背压pc*。通过计算可以得到喉径Dt、喉径出口直径D1、 混合室直径D3和引射器出口直径Dc。 计算流程如图2 所示。

图2 等压混合引射器主要结构尺寸计算流程

除油雾空气引射器的初始参数如下：

主流气体压力pg6.00bar（A）（1bar=0.1MPa）

主流气体温度Tg313K

被引射气体压力pe0.84bar（A）

被引射气体温度Te313K

被引射气体质量流量m·s0.022kg/s

混合气体出口背压pc* 1.163bar（A）

主流气体介质 压缩空气

被引射气体介质 油雾空气

代入上述数值，计算得到喉径Dt=6mm，喉径出口直径D1=8.8mm， 混合室直径D3=15.3mm，引射器出口直径Dc=27.1mm。 根据计算结果笔者设计了一款引射器，其实物如图3 所示。 经过测试，发现该引射器除油雾效果良好。

图3 引射器实物图

3 结束语

用空气压缩机上除油雾空气引射器替代传统的电动风扇除油雾器具有静音、 节能的优势。笔者根据等压引射器的特性关系式，给出具体等压气体引射器结构设计计算方法，便于工程技术人员使用。 经测试验证证明，笔者设计的引射器尺寸方案可行，后续需要进一步的实验来验证不同尺寸方案的优劣，以提高引射器的使用性能。