發(fā)布時間：2020-11-17 18:40

　　 超音速噴射器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、使用壽命長、維護費用低等優(yōu)點,廣泛用于制冷、海水淡化、燃料電池等系統(tǒng)。由于獨特的氣體增壓方式,超音速噴射器被認為是系統(tǒng)的核心部件之一。超音速噴射器熱力學(xué)模型是系統(tǒng)分析、優(yōu)化和控制的基礎(chǔ)。因此,研究超音速噴射器熱力學(xué)模型構(gòu)造問題,具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。在超音速噴射器內(nèi)部,存在氣體跨音速流動、高強度湍流、激波、流體混合等復(fù)雜現(xiàn)象,其內(nèi)在機理非常復(fù)雜。同時,在不同系統(tǒng)中,工作介質(zhì)也存在較大差異,進一步加大了噴射器熱力學(xué)模型的構(gòu)造難度。超音速噴射器熱力學(xué)模型的研究已經(jīng)有近80年的歷史,但仍然存在對部件效率研究不充分、模型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、次臨界狀態(tài)下性能計算精度較低、“濕流體”冷凝現(xiàn)象研究不足等問題,亟需展開深入研究。針對上述問題,本文從數(shù)值仿真和理論推導(dǎo)兩方面研究了超音速噴射器熱力學(xué)模型的構(gòu)造問題,主要工作包括:基于CFD仿真技術(shù),得到超音速噴射器喉嘴比對部件效率的影響規(guī)律。以用于低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)的水蒸汽超音速噴射器為例,介紹了 CFD仿真過程中網(wǎng)格劃分、控制方程選擇、模型驗證、參數(shù)處理等關(guān)鍵步驟。通過改變一次流噴嘴喉部和等面積混合室入口面積,設(shè)計了兩組具有不同喉嘴比的超音速噴射器�；�于仿真結(jié)果,分析了噴射器喉嘴比、部件效率和流場分布三者之間的內(nèi)在聯(lián)系,并給出了水蒸汽超音速噴射器在設(shè)定工況下的部件效率經(jīng)驗公式。構(gòu)造面向控制的超音速噴射器臨界狀態(tài)熱力學(xué)簡化模型�；�于熱力學(xué)基本定律和理想氣體模型,給出了超音速噴射器在臨界狀態(tài)下引射比和臨界背壓的數(shù)學(xué)表達式。通過參數(shù)集總,該表達式被簡化為具有四個未知參數(shù)的線性方程組。具有不同結(jié)構(gòu)、介質(zhì)和運行工況的超音速噴射器實驗數(shù)據(jù)用于驗證模型的有效性。結(jié)果表明該模型可有效計算噴射器臨界狀態(tài)性能。同時,與現(xiàn)有噴射器熱力學(xué)模型相比,該模型具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)辨識容易、計算精度高等優(yōu)點。建立超音速噴射器全工況熱力學(xué)模型。與傳統(tǒng)一維噴射器熱力學(xué)模型不同,該模型考慮了二次流在壅塞處徑向速度分布不的問題。超音速噴射器次臨界狀態(tài)性能計算的前提是獲得噴射器在臨界狀態(tài)下的混合壓力。對于臨界狀態(tài),該模型假設(shè)混合過程發(fā)生在等面積混合室內(nèi)。同時,假設(shè)混合壓力介于二次流入口壓力和壅塞壓力之間�；�于“臨界圓”模型,使用指數(shù)表達式近似表示二次流在壅塞處徑向速度分布,從而獲得引射比、臨界背壓和混合壓力值。對于次臨界狀態(tài),該模型基于等面積混合假設(shè)。通過改變混合壓力,求得超音速噴射器在次臨界狀態(tài)下引射比和工作背壓的對應(yīng)關(guān)系。建立超音速噴射器真實氣體熱力學(xué)模型,并研究了在不同“濕流體”下超音速噴射器入口過熱度對噴射器內(nèi)部冷凝現(xiàn)象、引射比和臨界背壓的影響。通過仿真計算,得到超音速噴射器在各截面處流體冷凝程度隨一次流及二次流入口過熱度的變化規(guī)律。研究表明,冷凝現(xiàn)象在噴射器內(nèi)部普遍存在。但是對于不同工質(zhì),噴射器內(nèi)部冷凝程度也不盡相同。同時,通過提高入口蒸汽過熱度,可以有效的降低流體冷凝程度。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP391.9;O354.3
【部分圖文】：

在噴射式制冷系統(tǒng)中，超音速噴射器長度在１０至３０厘米之間［３９４１］，然而海??水淡化系統(tǒng)用于熱壓縮的超音速噴射器長度則大于１米［４２４４］。雖然超音速噴射器??幾何尺寸在不同的應(yīng)用場景中存在差異，但是噴射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)是相似的。圖１．１??為超音速噴射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。超音速噴射器由一次流噴嘴、吸入室、混合室??和擴散室組成。當(dāng)氣體速度為亞音速時，氣體流經(jīng)漸縮噴嘴時速度增加，而氣體??流經(jīng)漸擴噴嘴時速度減小。對于超音速氣體，情況則恰恰相反。超音速氣體在漸??縮噴嘴中減速而在漸擴噴嘴中加速。超音速噴射器正是利用了這一原理。超音速??噴射器一次流噴嘴為漸縮－漸擴結(jié)構(gòu)。因此在一次流噴嘴內(nèi)部，一次流不斷加速??至超音速。氣體在不斷加速的過程中，其壓力也在持續(xù)降低。因此，在一次流噴??嘴出口處會出現(xiàn)一處壓力較低的區(qū)域。該低壓區(qū)域?qū)⒍�次流抽吸到噴射器�?nèi)部。??在混合室內(nèi)，一次流和二次流完成混合過程。在經(jīng)過一系列激波后，混合流體壓??力升高，速度降低。在擴散室前端，混合流體速度降為亞音速。在擴散室內(nèi)，混??合流體完成再壓縮過程。??吸入室?混合室?擴散室?????

?（Ｌ２）??其中為一次流質(zhì)量流率，屯為二次流質(zhì)量流率。??如圖１．４所示，超音速噴射器工作狀態(tài)可以分為臨界狀態(tài)、次臨界狀態(tài)和回??流狀態(tài)三種［Ｍ］。在臨界狀態(tài)下，一次流和二次流均處于壅塞狀態(tài)。因此當(dāng)工作??背壓增加時，噴射器引射比保持恒定。該現(xiàn)象又被稱為“雙壅塞現(xiàn)象”?［３］。當(dāng)噴??射器工作在次臨界狀態(tài)下時，較大的工作背壓影響了一次流和二次流的混合過程。??這時，一次流仍處于壅塞狀態(tài)，但是二次流已不再處于壅塞狀態(tài)。提高工作背壓，??二次流質(zhì)量流率減少，而噴射器引射比則會降低。工作背壓繼續(xù)增加，二次流會??出現(xiàn)回流現(xiàn)象，這時噴射器失去引射作用。如圖１．４所示，臨界背壓和回流背壓??是判斷超音速噴射器工作狀態(tài)的重要參數(shù)。??臨界狀態(tài)下，超音速噴射器引射比要高于其他狀態(tài)下的引射比。因此，在實??際系統(tǒng)中

海水脫鹽［５４￣５５］。本文以熱壓縮－低溫三效蒸餾海水淡化系統(tǒng)為例，簡要介紹該淡??化技術(shù)的基本原理。??如圖１．６所示，該海水淡化系統(tǒng)主要由超音速噴射器、降溫器、蒸發(fā)器和冷??凝器組成。該系統(tǒng)含有三個蒸發(fā)器，故被稱為三效蒸餾海水淡化系統(tǒng)。高溫高壓??水蒸汽通過超音速噴射器經(jīng)降溫器進入首效蒸發(fā)器內(nèi)。為了提高換熱效率，蒸發(fā)??器為橫管降膜蒸發(fā)器。海水經(jīng)噴淋裝置后被均勻噴灑到水平橫管上。在橫管內(nèi)部??則為通入的高溫水蒸汽。因此海水在管外蒸發(fā)，水蒸氣在管內(nèi)冷凝。在蒸發(fā)器橫??管外產(chǎn)生的水蒸汽作為熱源被送入到下一效蒸發(fā)器的橫管內(nèi)，而蒸發(fā)器橫管內(nèi)冷??凝的淡水則被直接收集。在下一效蒸發(fā)器內(nèi)，會發(fā)生相似的換熱過程。值得注意??的是，超音速噴射器會引射末效蒸發(fā)器產(chǎn)生的部分水蒸氣。這增加了進入首效蒸??發(fā)器的蒸汽量，提高了系統(tǒng)的能源使用效率。由于該部分蒸汽壓力經(jīng)噴射器后得??到明
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