多相动量交换增强型喷射器特性研究

摘要

喷射器作为静止式增压设备，存在设备引射性能低、轴向尺寸长和抗波动能力差等问题，根本原因在于喷射器动量交换效率低、设备结构固定，进行相应结构改型，能够提升喷射器设备性能、缩短轴向尺寸、拓宽使用范围。 本文编制空气/蒸汽工况喷射器设计程序，并对工况可调和动量增强方案进行研究。研究发现：设计驱动喷嘴轴向距离和径向面积可调机构，能够实现喷射器工况在线调节；通过在驱动喷嘴尾部加设动量增强元件，变传统二维动量交换为三维动量交换，能够提升设备引射性能，缩短设备轴向尺寸。本文利用实验研究和数值分析完成以下工作： （1）基于索科洛夫喷射器设计思想，编制空气/蒸汽工况喷射器设计程序，设计喷射器关键结构参数，以此为基础，进行新型喷射器样机试制，所得空气工况设计引射率与实验结果误差9.42%，蒸汽工况误差为45.30%，完成包括动量增强元件、驱动喷嘴轴向位置调节元件和径向面积可调元件设计加工，搭建完善性能实验平台，满足空气/蒸汽工况实验要求。 （2）通过实验及数值结果验证工况可调方案可行性。研究发现驱动喷嘴轴向距离存在高性能区间，空气工况的轴向高性能区间是6mm~12mm，蒸汽工况则为7mm~19mm，蒸汽工况实际最佳轴向距离相较理论计算值略小。通过实验和数值模拟验证：驱动喷嘴径向面积调节机构能够稳定喷射器性能，抵抗压力波动，且相较调节锥结构，保持了正常的驱动流体流形，流动损失较小。通过可视化手段（PDPA、高速摄影）分析闪蒸现象对于射流核心的影响，发现随闪蒸程度增加，驱动流体流束变宽，会引起最佳轴向距离变化。 （3）利用实验研究和数值分析研究了动量增强优化方案，发现在空气和蒸汽工况下，动量增强元件能够显著提升喷射器临界区引射性能，但会造成一定程度增压性能牺牲，且扰流锥数目越多，优化效果越强。动量增强元件还能够缩短射流核心长度。

目录

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 喷射器简介

1.2.2 喷射器理论模型

1.2.3 喷射器性能研究

1.2.4 喷射器结构优化

1.3 本文研究内容

2 实验平台搭建

2.1 实验平台设计及设备选型

2.2 喷射器设计与试制

2.2.1 设计软件编制与参数设计

2.2.2 喷射器样机加工

2.3 流量校核和采集软件编制

2.4 本章小结

3 喷射器数值模型、边界、网格划分及验证

3.1 物理模型

3.2 控制方程

3.3 状态方程及相变模型

3.3.1 理想气体状态方程

3.3.2 湿蒸汽模型

3.3.3 相变模型

3.3.4 蒸汽状态方程

3.4 湍流模型

3.5 边界条件

3.6 网格无关性分析

3.7 本章小结

4 喷射器工况可调结构性能研究

4.1 工况可调结构方案

4.2 轴向距离性能研究

4.2.1 轴向最佳距离理论计算

4.2.2 空气工况轴向位置实验研究和数值分析

4.2.3 蒸汽工况轴向距离实验研究和数值分析

4.3 喉部径向面积调节性能研究

4.4 闪蒸对于驱动流体射流影响研究

4.5 本章小结

5 喷射器动量增强优化研究

5.1 动量增强结构优化方案

5.2 空气工况动量增强实验研究和数值分析

5.3 蒸汽工况动量增强实验研究和数值分析

5.4 本章小结

6 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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