淺談引射流場(chǎng)模型的建立

淺談引射流場(chǎng)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(gè)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(dòng)擴(kuò)散作用,卷吸周圍的流體而發(fā)生動(dòng)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(dòng)量和質(zhì)量交換,在流動(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(jiǎn)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(dòng)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(dòng)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(shí)產(chǎn)生較大能量損失的緣故。另外,也是因沒有運(yùn)動(dòng)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(duì)引射器還沒有一個(gè)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?cè)诨旌线^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(duì)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(gè)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(dòng)能和在引射器之后混合流體的動(dòng)能通常忽略不計(jì)。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(dòng)量定理,假設(shè)在引射器中流動(dòng)是均勻的,那么對(duì)于任意形狀的混合室的動(dòng)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(shí)工作流體的截面積。fH1——進(jìn)入混合室時(shí)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?，F(xiàn)在雖然也有軸對(duì)稱二維的,甚至三維的計(jì)算方法應(yīng)用到引射器的設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)算。3混合激波的特性早在19世紀(jì)末期,在德國(guó)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(dòng)力學(xué)的發(fā)展,才有力地推動(dòng)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(gè)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(gè)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(dòng),流動(dòng)比較復(fù)雜。在混合室內(nèi),起始時(shí)氣體被液流卷吸,二者作相對(duì)運(yùn)動(dòng),這時(shí)它們均為連續(xù)介質(zhì),液體射流表面出現(xiàn)脈動(dòng),且隨距離的增長(zhǎng),液體質(zhì)點(diǎn)在紊動(dòng)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(dòng)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(duì)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(gè)很短的范圍內(nèi)發(fā)生壓力的突然升高,就象空氣動(dòng)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(jí)?；旌霞げㄅc激波也有一個(gè)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(dòng)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(duì)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(shí)液體將產(chǎn)生汽化,這時(shí)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(shí)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(jí)流控振蕩器組合,通過多級(jí)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(zhǎng)氣泡在水中停留的時(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)速度的巨大差異,將產(chǎn)生較大的動(dòng)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(shí),效率將大為下降,常常降低到只有百分之幾,而且其理論計(jì)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(shí),這是人們關(guān)注的一個(gè)重要課題。采用多級(jí)吸入的方式就是一種很好的方法,即在一級(jí)的擴(kuò)散管后再加若干級(jí)引射器,使前一級(jí)的混合出流作為后一級(jí)的工作介質(zhì)再次引射(圖3)。王時(shí)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(jí)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(jí)引射器的設(shè)計(jì)計(jì)算中,顯然第二級(jí)的結(jié)構(gòu)對(duì)第一級(jí)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(jì)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(duì)引射器工況有重要的影響。由于流動(dòng)的復(fù)雜,人們借助于實(shí)驗(yàn)尋找最佳數(shù)值組合。多級(jí)引射器一般以兩級(jí)為宜,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)再增加級(jí)數(shù)有時(shí)產(chǎn)生回流,不會(huì)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(dòng)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(dòng)被引射流體。旋轉(zhuǎn)射流與多噴嘴射流相似增大了紊動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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(jì)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(jiǎn)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(gè)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(duì)于引射器而言,增加了一個(gè)調(diào)節(jié)噴針必然也增加了流動(dòng)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(jì)