蒸汽喷射器内部发生机理研究进展

李东哲，周峰，赵雅倩

（北京工业大学环境与生命学部，北京，100124）

水蒸气喷射制冷系统因其采用自然工质、结构简单可靠等优势，得到越来越多的关注。蒸汽喷射器作为系统关键部件，其性能的研究也是重点之一。流体在蒸汽喷射器内部流动时，会产生跨音速流动、激波、壅塞等复杂的现象，同时还具有剧烈的动量和能量交换，归纳总结各种喷射器的理论模型来对喷射器内部流动过程进行数值模拟和实验研究，分析外部工况变化对喷射器内部流动情况的影响，对喷射器的设计及性能的提高具有重要意义。

1 数值模拟研究

1.1 蒸汽喷射器内部流动状态的研究

早在20世纪30年代，德国一些研究学者就对蒸汽的凝结机理和成核问题进行了积极的探讨。1936年，Prandtl等［1］首先在流出喷嘴的超声速流体中发现了稳定的凝结激波。1966年Hill等［2］比较了超音速喷嘴中应用湿蒸汽模型与应用经典成核理论模型的差距。20世纪90年代，蔡颐年教授建立了湿蒸汽两相流基地，在国内开始开展蒸汽相变凝结问题的研究。李亮等［3］对喷射器湿蒸汽两相流动的自发凝结进行了数值模拟，给出了守恒型的两相流流动控制方程组及数值求解方法，而后陈红梅等［4］又对透平级中自发凝结及叶栅中非均质凝结流动进行研究。研究发现，透平级环境下的凝结不仅使流动模式发生了变化,也改变了级的反动度。2006年，李海军等［5］基于蒸汽的真实物性公式，利用二维N-S方程对喷射器内部的流动混合过程进行模拟，来研究激波的产生及变化规律。研究表明激波会出现在两个位置，一个是喷嘴出口处，另一位置就是扩压室的起始端。根据轴向压力的变化来判断激波的情况，如图1所示，图中两条竖线分别代表混合室等面积段的起始截面和终止截面。从图中可以看出，喷嘴出口后的压力及马赫数是波动的,这主要是由于斜激波的影响。宋力钊等［6］对喷射器内部的压力、速度、温度等的变化情况进行数值模拟，结果发现，工作蒸汽流经喷嘴出口时，有激波产生，导致喷嘴出口速度骤降，压力、温度急速上升，这与李海军等人得出的结论一致。

图1 喷嘴出口后轴线上压力的分布

2010年，董敬亮［7］利用Fluent软件，对喷射器内部流动进行了数值模拟。提出了激波混合层位置的确定方法，并对喷射泵内两股流体流动区域进行了划分，借助激波混合层，为找到引射蒸汽流动发生壅塞的位置提供了便利。2014年，杨勇等［8］通过数值模拟方法对喷射器内部的复杂流动情况进行了研究，发现了工作流体出主喷嘴后会经历压缩波、膨胀波等一系列菱形激波，在工作流体与引射流体压力不变的情况下，混合流体出口压力对这种菱形激波影响较小。2017年，武洪强［9］对喷射器中跨声速水蒸气凝结流动过程进行了数值模拟，分析了水蒸气非平衡凝结和凝结激波的产生过程和原因，研究发现水蒸气凝结对喷管内蒸汽流场的影响非常显著，与未考虑凝结的模拟结果相比，混合室出口压力比进口总压升高了约0.05倍。2019年，Zhang等［10］提出了用于含有不凝性气体的蒸汽喷射器设计的数值模型，研究了不凝性气体对水喷射系统性能的影响，发现喷射器性能随着不凝性气体的升高先上升后下降。2021年，李熠桥等［11］结合水蒸气真实物性和非平衡凝结情况下，分析了不同近壁面函数对模拟结果的影响。

1.2 外部工况发生变化对喷射器的内部流动状态的影响

各国学者针对工作蒸汽压力、引射蒸汽压力、背压等工况变化时，喷射器的内部流动状态进行了详细研究［12-13］。2004年，Chunnanond［14］对混合蒸汽沿着喷射器轴线方向内部流动情况进行了分析，得到不同操作参数条件下，混合蒸汽在喷射器内部的压力变化情况。得出要想蒸汽喷射器的引射系数最大，必须要找到一个冷凝压力，我们称之为临界冷凝压力。2009年，王晓东［15］等基于标准k-ε模型，对不同背压、工作气体温度等操作条件下水蒸气喷射泵内部工作蒸汽与被抽气体间的流动与混合行为进行了数值模拟。结果发现随着背压的升高，扩压器或喉部的激波移向上游，当背压低于临界背压，引射比一定时，激波出现在混合室的下游；研究还发现随着工作流体温度、临界背压的上升，激波位置移到下游。2011年，雷宏健［17］等针对水蒸气喷射泵内部湿蒸汽两相流动进行了数值模拟，分析了工作蒸汽参数对自发凝结产生的重要影响。结果发现工作蒸汽状态对泵内部两相流流场结构影响较大，凝结量与工作蒸汽饱和温度正相关。2014年，张军强［16］对不同操作条件下，水蒸气喷射器内部流场结构进行了数值模拟，结果显示，背压对喷射器内部流场结构有影响很大，引射蒸汽压力、工作蒸汽状态也会对其流场结构产生影响。

1.3 水蒸气喷射器中流体的边界层分离对性能的影响

2017年，Tang等［18］等对混合效率和引射系数间的关系进行了探讨，详细说明了工作流体与引射流体在喷射器中的混合位置、方式及程度，讨论了在不同工况下两种流体混合边界层的生长、引射系数和质量传递。结果表明混合始于混合室入口的波动边界层，在临界运行模式下，混合层先后经历了波动和指数增长，但在亚临界模式下，混合层的发展受到严重阻碍。2019年，Han［19］基于CFD方法对喷射器内部边界层分离的原因、分离区域的确定和边界层分离对喷射器的性能影响进行了全面的研究。结果发现，恒定工况下，喷嘴喉部直径和出口位置在一定范围内，喷射器处于临界状态，此时具有较好的泵送性能，如图2所示。喉部直径小或大，或者喷嘴出口位置较大时，流体边界层的分离会加剧，混合流体无法克服背压从喷射器中排出，此时喷射器的效率下降至零，出现故障。

图2 背压对喷射器泵功的影响

2 实验研究

除了采用数值模拟的方法对喷射器内部的流动进行研究外，采用可视化的实验方法监测喷射器的内部流动的特征也是一种必要的手段。对于喷射器的可视化研究，大致可分为四种方法：纹影法、激光散射法、直接成像法和粒子图像测速法。2001年，Desevaux［20］使用激光束层析照相技术，实验研究了工作蒸汽和引射蒸汽的混合过程。他们在研究过程中使用不同的光源、偏正方向和追踪方法，得到一系列照片，从而对流体流态、激波、湍流结构和流动不稳定性进行了可视化分析，并测得混合过程中的未混合部分的长度。然而，成功的可视化研究仅能在引射系数较低的情况下实现。当引射系数较高时，此技术对混合区域内流动情况的捕捉能力明显下降，准确性也随之降低。因此，对于喷射泵内部流动的研究，激光束层析照相技术仍然需要进一步改进。2013年，Srisha［21］等应用瞬时纹影和激光散射技术相结合的方式得到喷射器内部清晰的流体流动过程，进而推断了两股流体未混合部分的长度。同年，王涛等［22］搭建了喷射器的粒子图像测速可视化实验台，研究了不同标记粒子对喷嘴出口流场的影响。2019年，汤永智［23］等对喷射器内部超音速流动与混合过程进行了实验研究，利用直接成像法来捕捉混合过程中的凝结、再蒸发和壅塞等现象，发现大量动力失衡的凝结液滴存在于工作蒸汽射流中，引射蒸汽在混合室末端会发生壅塞现象。研究还发现，在壅塞截面下游，凝结液会发生多次再蒸发现象，在靠近引射蒸汽入口处，凝结流存在一定的堆积、震荡等现象，在壅塞截面上游，湿蒸汽射流过程会将液滴甩落于壁面，凝结流与其融合后于混合室前端形成膜状凝结流与顺时针环状流。

实验中产生的凝结流使引射蒸汽的有效流通面积减小，故在渐缩通道内引射蒸汽的流动会受到一定的影响。并在此基础上，近一步对混合室内流体的流动过程进行可视化研究，研究发现，当引射蒸汽入口压力增大，液膜或多股水流形成的位置越靠前，其开始形成位置反映了壁面附近流体速度沿壁面位置增大的快慢。

3 结论

通过对蒸汽喷射器内部发生机理的分析，对其内部流场有了更为清楚的认识。目前对喷射器内部流场特性主要是在设计工况下研究，但喷射器实际运行中常常会偏离设计工况。因此为了保证喷射器稳定性，提升喷射器的使用范围，在今后的研究中，应加强在非设计工况下喷射器内部流动特性的研究，为后续喷射器的优化提供理论支持。