淺談引射流場模型的建立

淺談引射流場模型的建立

1混合流體的特性引入射器用于將不同壓力的兩個體混合，并導(dǎo)致液體機(jī)械和混合反應(yīng)裝置之間的能量交換。引射器主要由工作噴嘴、接受室、混合室及擴(kuò)散室等部件組成(圖1)。進(jìn)入裝置前,壓力較高的流體叫做工作流體,它以很高的速度從噴嘴流出,進(jìn)入接受室,由于射流的紊動擴(kuò)散作用,卷吸周圍的流體而發(fā)生動量交換,被吸走的壓力較低的流體叫引射流體。工作流體與引射流體在混合室內(nèi)混合,進(jìn)行動量和質(zhì)量交換,在流動過程中速度漸漸均衡,這期間常常伴隨壓力的升高。流體從混合室出來進(jìn)入擴(kuò)散室,壓力將因流動速度變緩而繼續(xù)升高。在擴(kuò)散室出口處,混合流體的壓力高于進(jìn)入接受室時引射流體的壓力。在汽—液引射器中,混合流體的壓力因水擊效應(yīng)甚至可以超過工作流體的壓力。不借助固體機(jī)械的壓縮動作而能提高引射流體的壓力,這是引射器最主要和最根本的性質(zhì)。正是由于這種性質(zhì),引射器在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。引射器結(jié)構(gòu)簡單,易于加工且成本較低。工作可靠性好,安裝維護(hù)方便。本身沒有運(yùn)動部件,密封性好,很適宜輸送有毒、易爆、易燃和放射性物質(zhì)。它除了作為流體輸送機(jī)械使用外,還可以作為傳質(zhì)和化學(xué)混合反應(yīng)設(shè)備。各種有壓能源(廢水、廢氣)都可作為它的工作動力,直接加以利用,不需增加許多輔助設(shè)備,因此它的綜合效益很好。引射器的主要缺點(diǎn)是傳能效率較低,這是由于兩股流體混合時產(chǎn)生較大能量損失的緣故。另外,也是因沒有運(yùn)動部件而在運(yùn)行中不易于調(diào)節(jié)。2混合過程的相態(tài)—引射器的分類及基本方程進(jìn)入引射器混合的流體,在工程中有的是氣相,有的是液相,有的是氣體、液體和固體的混合物,因此,到目前為止對引射器還沒有一個統(tǒng)一的分類方法,而且名稱不一,例如:引射器、噴射器、混水器,射流器等,但是人們常以在引射器中相互作用介質(zhì)的狀態(tài)來分類。一般可以分為如下三類:(1)工作和引射介質(zhì)的集態(tài)相同的引射器。(2)工作和引射介質(zhì)處于不同的集態(tài),它們在混合過程中集態(tài)也不改變的引射器。(3)介質(zhì)的集態(tài)發(fā)生改變的引射器。在這類引射器里,工作和引射流體,在混合之前處于不同的相態(tài),混合后變成同一相態(tài),即在混合過程中其中一種流體的相態(tài)發(fā)生改變。對于各類引射器,雖然流體的性質(zhì)和物理狀態(tài)不同,但是無一例外的可用如下三個基本定律來描述。1)能量守恒定律,在引射器之前工作和引射流體的動能和在引射器之后混合流體的動能通常忽略不計。ip+uiH=(1+u)ic(1)式中ip——在引射器前工作流體的焓。iH——在引射器前引射流體的焓。ic——在引射器之后混合流體的焓。u=MH/Mp稱引射系數(shù),即引射流體的質(zhì)量流量與工作流體的質(zhì)量流量之比。2)質(zhì)量守恒定律MC=Mp+MH(2)式中MP——工作流體的質(zhì)量流量。MH——引射流體的質(zhì)量流量。MC——混合流體的質(zhì)量流量。3)動量定理,假設(shè)在引射器中流動是均勻的,那么對于任意形狀的混合室的動量定理可寫成MPWp1+MHWH1-(Mp+MH)W3=p3f3-(pp1fp1+pH1fH1)-∫f1f3f3f1pdf(3)Wp1——混合室入口截面上工作流體的速度。WH1——混合室入口截面上引射流體的速度。W3——混合室出口截面上混合流體的速度。pp1——混合室入口截面上工作流體的靜壓強(qiáng)。pH1——混合室入口截面上引射流體的靜壓強(qiáng)。p3——混合室出口截面上混合流體的靜壓強(qiáng)。fp1——進(jìn)入混合室時工作流體的截面積。fH1——進(jìn)入混合室時引射流體的截面積。f3——混合室出口處混合流體的截面積?！襢1f3f3f1pdf——在1—1和3—3截面之間作用于混合室壁面上力的沖量積分。現(xiàn)在雖然也有軸對稱二維的,甚至三維的計算方法應(yīng)用到引射器的設(shè)計計算中,取得了較好結(jié)果,但是,目前人們一般還是采用上述一維均勻流假設(shè)下的控制方程進(jìn)行計算。3混合激波的特性早在19世紀(jì)末期,在德國學(xué)者G.佐伊納(Zeuner)和M.蘭金(Rankine)的著作中就建立了引射器的理論基礎(chǔ),直到本世紀(jì)30年代由于流體力學(xué)和空氣動力學(xué)的發(fā)展,才有力地推動了引射器的應(yīng)用和研究,今天由于它在工程上的廣泛應(yīng)用,引射器及射流技術(shù)已發(fā)展成為一個新的重要的學(xué)科分支。在這里僅就涉及到射流技術(shù)及引射器結(jié)構(gòu)的幾個方面的發(fā)展現(xiàn)狀作一介紹?；旌霞げ?mixingshock)是發(fā)生在液氣引射器中的一種物理現(xiàn)象(圖2)。在引射器內(nèi)液體與氣體之間容重相差很大,屬于兩相流動,流動比較復(fù)雜。在混合室內(nèi),起始時氣體被液流卷吸,二者作相對運(yùn)動,這時它們均為連續(xù)介質(zhì),液體射流表面出現(xiàn)脈動,且隨距離的增長,液體質(zhì)點(diǎn)在紊動擴(kuò)散的作用下,被離散成液滴分散在氣體中,由于它們之間的動量交換,氣體被加速和壓縮,而且因容重的差異,在碰撞后造成氣體的平均流速大于液體的平均流速,在此范圍內(nèi)液體變?yōu)榉沁B續(xù)介質(zhì),氣體仍為連續(xù)介質(zhì)。氣體隨后被液滴粉碎為微小氣泡,液體和氣體混合成均質(zhì)乳狀泡沫流體,在此泡沫流體中聲速為c=(pa+αpa)/[αpa(ρw+αpaRT)]1/2(4)c=(pa+αpa)/[αpa(ρw+αpaRΤ)]1/2(4)式中α——?dú)怏w與液體的體積比。pa——?dú)怏w壓強(qiáng)。ρw——液體密度。R——?dú)怏w常數(shù)。T——?dú)怏w絕對溫度。進(jìn)入擴(kuò)散室壓力進(jìn)一步升高,在此范圍內(nèi),液體變?yōu)檫B續(xù)介質(zhì)。而氣體變?yōu)榉沁B續(xù)介質(zhì)。在混合室內(nèi)液氣的混合過程中,在一個很短的范圍內(nèi)發(fā)生壓力的突然升高,就象空氣動力學(xué)中的激波一樣,因此人們稱之為混合激波。不僅如此,混合液的流速在混合激波前是超聲速,在混合激波后是亞聲速的。在這里,要注意混合液的聲速,遠(yuǎn)低于空氣中的聲速和水中的聲速,一般僅為幾十每秒米的量級。混合激波與激波也有一個顯著的不同點(diǎn),就是引射器中的混合激波的厚度遠(yuǎn)大于空氣動力學(xué)中的激波的厚度。在液氣引射器中產(chǎn)生混合激波的現(xiàn)象引起人們極大的興趣,混合激波的起因是什么?在混合激波中發(fā)生了什么現(xiàn)象?壓力升高的機(jī)理是什么?如何解釋混合激波必伴隨著熵增?等等這些問題的討論將對射流技術(shù)的發(fā)展有重要的意義。此外當(dāng)引射器入口部分壓力降低到一定程度時液體將產(chǎn)生汽化,這時產(chǎn)生的混合激波將相當(dāng)不均勻,發(fā)生氣蝕,人們稱此時的混合激波為氣蝕激波(cavitationshock)。在工程上人們將液氣引射器應(yīng)用到水體增氧中,制成射流曝氣器。還可以與多級流控振蕩器組合,通過多級的放大,可將液氣引射器中形成的氣水混合體調(diào)制成周期性左右往返掃射輸出。由于這脈沖射流在水體中掃蕩剪切,加大了速度梯度,使氣泡尺寸更小,從而延長氣泡在水中停留的時間。而且由于輪流換向噴射,增加水氣質(zhì)團(tuán)交替變換接觸的機(jī)率,加快了氣泡周圍液體的更新速率。這兩方面的因素都有利于氧轉(zhuǎn)移動力效率的提高,使射流曝氣—振蕩布?xì)饧夹g(shù)的氧轉(zhuǎn)移動力效率高于現(xiàn)行曝氣技術(shù)。由于引射器的兩股流體在引射混合時速度的巨大差異,將產(chǎn)生較大的動能損失,因此一般的引射器效率較低。尤其是在要求的引射系數(shù)較大時,效率將大為下降,常常降低到只有百分之幾,而且其理論計算值也大大偏離實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。如何提高引射器的效率,尤其是在大引射系數(shù)時,這是人們關(guān)注的一個重要課題。采用多級吸入的方式就是一種很好的方法,即在一級的擴(kuò)散管后再加若干級引射器,使前一級的混合出流作為后一級的工作介質(zhì)再次引射(圖3)。王時珍在關(guān)于高效高引射系數(shù)引射器的文章中指出,其所制成之兩級氣體誘導(dǎo)器在小增壓比條件下,使效率從普通型誘導(dǎo)器的3～5%提高到15—20%,能耗相應(yīng)降低2/3以上。在兩級引射器的設(shè)計計算中,顯然第二級的結(jié)構(gòu)對第一級的特性有影響,因此必須將兩次引射過程聯(lián)系在一起進(jìn)行計算。引射器噴嘴、吸氣口、混合管末端、擴(kuò)散管出口等的橫截面積對引射器工況有重要的影響。由于流動的復(fù)雜,人們借助于實(shí)驗(yàn)尋找最佳數(shù)值組合。多級引射器一般以兩級為宜,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)再增加級數(shù)有時產(chǎn)生回流,不會帶來多少益處。此外,也可采用多噴嘴射流,脈沖射流、旋轉(zhuǎn)射流等方法來提高引射器的效率。多噴嘴射流可以使工作與被引射流體在較短的喉管內(nèi)得到更好的混合,避免反向回流,減少了喉管的摩阻損失,改善擴(kuò)散管的入口流速分布,從而減少了擴(kuò)散損失。脈沖射流兼有紊動擴(kuò)散作用和活塞作用,脈沖射流在喉管內(nèi)形成液柱來推動被引射流體。旋轉(zhuǎn)射流與多噴嘴射流相似增大了紊動擴(kuò)散,使工作與引射流體有更好的混合。研究和發(fā)展包括以上方法的各種新機(jī)理新結(jié)構(gòu)的引射器,是人們的努力目標(biāo)。除了研究固定的合理結(jié)構(gòu)來改善流動以滿足工程要求外,還有采用可調(diào)式引射來滿足工況有較大變化的需要。例如,在供熱工程中利用引射器來進(jìn)行熱交換是一種經(jīng)濟(jì)和簡便的方法,由于供熱系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,要求引射器本身的混合比也隨之變化,以滿足引射器前的一次網(wǎng)設(shè)計流量變化的情況下,二次網(wǎng)的流量基本保持不變。但是,若引射器的噴嘴是固定的話,就難以滿足工況要求。這樣就使引射器這種連接方式結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的設(shè)備難以發(fā)揮有效作用。若利用可調(diào)式引射器就可以很好地解決這個問題,調(diào)節(jié)噴針的位置就可以改變工作流體的流量,從而達(dá)到調(diào)整混合的目的(圖4)。對于引射器而言,增加了一個調(diào)節(jié)噴針必然也增加了流動阻力,尤其這是在控制工作流體的噴嘴內(nèi)。合理和巧妙地設(shè)計