超音速喷射器热力学模型构造研究

论文摘要

超音速喷射器具有结构简单、成本低廉、使用寿命长、维护费用低等优点,广泛用于制冷、海水淡化、燃料电池等系统。由于独特的气体增压方式,超音速喷射器被认为是系统的核心部件之一。超音速喷射器热力学模型是系统分析、优化和控制的基础。因此,研究超音速喷射器热力学模型构造问题,具有重要的理论意义和应用价值。在超音速喷射器内部,存在气体跨音速流动、高强度湍流、激波、流体混合等复杂现象,其内在机理非常复杂。同时,在不同系统中,工作介质也存在较大差异,进一步加大了喷射器热力学模型的构造难度。超音速喷射器热力学模型的研究已经有近80年的历史,但仍然存在对部件效率研究不充分、模型结构较复杂、次临界状态下性能计算精度较低、“湿流体”冷凝现象研究不足等问题,亟需展开深入研究。针对上述问题,本文从数值仿真和理论推导两方面研究了超音速喷射器热力学模型的构造问题,主要工作包括:基于CFD仿真技术,得到超音速喷射器喉嘴比对部件效率的影响规律。以用于低温多效蒸馏海水淡化系统的水蒸汽超音速喷射器为例,介绍了 CFD仿真过程中网格划分、控制方程选择、模型验证、参数处理等关键步骤。通过改变一次流喷嘴喉部和等面积混合室入口面积,设计了两组具有不同喉嘴比的超音速喷射器。基于仿真结果,分析了喷射器喉嘴比、部件效率和流场分布三者之间的内在联系,并给出了水蒸汽超音速喷射器在设定工况下的部件效率经验公式。构造面向控制的超音速喷射器临界状态热力学简化模型。基于热力学基本定律和理想气体模型,给出了超音速喷射器在临界状态下引射比和临界背压的数学表达式。通过参数集总,该表达式被简化为具有四个未知参数的线性方程组。具有不同结构、介质和运行工况的超音速喷射器实验数据用于验证模型的有效性。结果表明该模型可有效计算喷射器临界状态性能。同时,与现有喷射器热力学模型相比,该模型具有结构简单、参数辨识容易、计算精度高等优点。建立超音速喷射器全工况热力学模型。与传统一维喷射器热力学模型不同,该模型考虑了二次流在壅塞处径向速度分布不的问题。超音速喷射器次临界状态性能计算的前提是获得喷射器在临界状态下的混合压力。对于临界状态,该模型假设混合过程发生在等面积混合室内。同时,假设混合压力介于二次流入口压力和壅塞压力之间。基于“临界圆”模型,使用指数表达式近似表示二次流在壅塞处径向速度分布,从而获得引射比、临界背压和混合压力值。对于次临界状态,该模型基于等面积混合假设。通过改变混合压力,求得超音速喷射器在次临界状态下引射比和工作背压的对应关系。建立超音速喷射器真实气体热力学模型,并研究了在不同“湿流体”下超音速喷射器入口过热度对喷射器内部冷凝现象、引射比和临界背压的影响。通过仿真计算,得到超音速喷射器在各截面处流体冷凝程度随一次流及二次流入口过热度的变化规律。研究表明,冷凝现象在喷射器内部普遍存在。但是对于不同工质,喷射器内部冷凝程度也不尽相同。同时,通过提高入口蒸汽过热度,可以有效的降低流体冷凝程度。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘加朋

导师: 贾磊,王雷

关键词: 超音速喷射器,热力学模型,部件效率,次临界状态,冷凝现象

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 力学,计算机软件及计算机应用

单位: 山东大学

分类号: TP391.9;O354.3

总页数: 121

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