蒸汽噴射器是提高流體壓力而不直接消耗機(jī)械能的設(shè)備，因其結(jié)構(gòu)簡單可靠、運轉(zhuǎn)費用低廉而得到廣泛應(yīng)用，如真空系統(tǒng)、制冷循環(huán)、火箭和噴氣飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)，乃至核電廠的核心冷卻系統(tǒng)等。蒸汽噴射器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但其設(shè)備內(nèi)部氣體的超音速混合過程非常復(fù)雜，存在著激波、邊界層、剪切層的交互作用，混合機(jī)理尚不清楚?，F(xiàn)有的設(shè)計理論大都采用半經(jīng)驗半理論的辦法，誤差較大。在工程實踐中，蒸汽噴射器仍存在著運行不穩(wěn)定、動態(tài)調(diào)節(jié)性能差、設(shè)計性能與實際性能不一致等問題。因而，對蒸汽噴射器的理論機(jī)理進(jìn)行深入研究，完善噴射器一維設(shè)計理論，從而為操作條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)，實現(xiàn)噴射系數(shù)、壓縮比、膨脹比、(火用)效率、性能系數(shù)、投資費用的***佳匹配，具有重要的學(xué)術(shù)價值及工程意義。
為此，本文從理論分析及數(shù)值模擬兩方面對噴射器的設(shè)計理論進(jìn)行探討，主要研究工作和結(jié)論有： (1)在112篇相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對噴射器理論、實驗及數(shù)值研究諸方面作了回顧，并對兩種理論——定壓混合理論及定常面積混合理論，三種方法——經(jīng)典空氣動力學(xué)法、熱力學(xué)法及數(shù)值模擬法作了較為詳細(xì)的闡述 (2)從熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)變化的角度出發(fā)，在作了6項假設(shè)之后分別利用熱力學(xué)第一定律及第二定律分析了蒸汽在噴嘴、混合段及擴(kuò)散段內(nèi)的工作過程，籍此建立了蒸汽噴射器噴射系數(shù)計算的理想模型、動量守恒模型及動能守恒模型。采用IAPWS—IF97公式計算水蒸汽熱力參數(shù)，對噴嘴、混合段及擴(kuò)散段的效率對單級蒸汽噴射器(火用)效率的影響作了分析。結(jié)果表明，動量守恒模型雖在數(shù)學(xué)上與理想模型有一定的差異，但若采用適當(dāng)?shù)男氏禂?shù)可以取得與經(jīng)驗數(shù)據(jù)滿意的一致性；而動能守恒模型雖然當(dāng)所有效率等于1時能與理想模型相一致，卻很難找到一組系數(shù)使之與經(jīng)驗值相吻合。實際中，采用動量守恒模型計算噴射系數(shù)及壓縮壓力，動能守恒模型分析噴射器的(火用)效率能取得令人滿意的效果。 (3)采用大型計算流體動力學(xué)軟件FLUENT對超音速蒸汽噴射器內(nèi)流體的混合過程進(jìn)行數(shù)值模擬。分析了模型維數(shù)、網(wǎng)格系統(tǒng)、湍流模型、離散格式等因素對數(shù)值計算結(jié)果的影響，以期獲得依網(wǎng)格收斂的解，在此基礎(chǔ)上分別對大膨脹比、大壓縮比蒸汽噴射真空泵及大膨脹比、中等壓縮比的蒸汽噴射式熱泵內(nèi)的超音速流動過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。 (4)計算并分析了各種特征幾何參數(shù)對噴射器操作性能的影響。數(shù)值結(jié)果表 南京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 明：第二喉管起著擴(kuò)展激波系的功能，其與噴嘴喉管的面積比極大地影響著波 系結(jié)構(gòu)，從而影響著噴射器的操作性能。在一定的設(shè)計工況下，總存在一個*** 佳的面積比對應(yīng)于***大的噴射系數(shù)，其主要的物理特征為通過工作蒸汽噴嘴產(chǎn) 生的激波系剛好能夠通過第二喉管；噴射器的工作能力隨噴嘴與混合室入口相 對位置的改變而改變。在一定的設(shè)計工況下，總存在一個***佳的噴嘴出口與混 合宣入口截面的距離對應(yīng)于噴射系數(shù)的***大值，并且將噴嘴向混合段移近一點， 噴射器的性能變化并不大，但當(dāng)噴嘴遠(yuǎn)離混合段時，噴射器性能急劇惡化；混 合段錐頂角對噴射器（真空泵）性能的影響較小，在3”～7”之間噴射系數(shù)并無 明顯變化。按等壓混合理論設(shè)計的噴射器較等面積混合理論具較好的工作性能。 ＊）計算并分析了工作蒸汽的壓力和溫度3射及混合流體壓力等熱力參數(shù) 對噴射器操作性能的影響，并根據(jù)噴射器內(nèi)的物理現(xiàn)象及噴射系數(shù)的變化規(guī)律 將蒸汽噴射器的操作狀態(tài)分為臨界狀態(tài)、亞臨界狀態(tài)和回流狀態(tài)三類，同時指 出臨界點為***佳工作點。
