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user: 3. 喷射器内部流场的数值模拟 3.1. 喷射器模型 3.1.1. 求解器的选择 根据第二章计算得到的喷射器结构尺寸，通过Solid Works绘图软件画出喷射器三维物理模型，再经ICEM CFD软件划分网格，并且在喷嘴、混合室和扩压室等区域流动波动比较大，所以对这部分区域的网格进行了适当加密，最后将网格模型导入到Fluent软件中对喷射器的内部流场的变化进行数值模拟。首先检查网格质量确保没有网格负体积的存在，然后进行求解参数的相关设置。经文献调研发现，在模拟湍流流动时，realizable k-ε模型被使用较多，并被认为可以更好地预测圆柱射流流动的发散比率，并且也能够较为精准地对旋转性流动进行模拟，在具有强逆向压力流动的边界层和二次流工况上的模拟也有不错效果。根据以上对湍流模型的理论研究可以得出，为了探究CO 2 工质在喷射器内部流动所形成的流场变化，本文湍流模型应该选用标准k-ε模型和标准壁面函数法，离散格式选取二阶迎风格式。 3.1.2. 流体物性 设置流体的物性关系到模拟结果的准确性，在Materials面板选择Fluid数据库，在Creat Materials页面中打开Fluent Database从中选择carbon-dioxide，本文中CO 2 气体密度采用理想气体，其他物性参数设置为定值，粘度取1.37 × 10 kg/m-s，热传导系数取0.0145 w/m·k，分子量取44。 3.1.3. 边界条件 1) 工作流体入口：采用压力进口边界条件。本文定义工作流体入口总压为9MPa，温度308.15K，也可以对静压数值进行输入，而对含有湍流模型的情况还必须对湍流参数进行赋值。2) 引射流体入口：采用压力进口边界条件。本文定义引射流体入口总压为3.9 MPa，温度283.15K。3) 混合流体出口：采用压力出口边界条件。混合流体在扩压室出口处的静压为为4.6 MPa。4) 壁面边界：采用无滑移绝热壁面。另外，本文计算采用simple算法求解，解的收敛可以通过残差曲线来判断，本文残差的收敛精度设置为10²，另一种判定方法是通过检测喷射器出口质量流量值的变化趋势，当出口速度趋于稳定时也可认定为流场收敛，求解已完成。 3.2. 模型的求解结果分析 由于喷射器内部流场的流动不规则且复杂多变，至今尚不能完整全面的展示喷射器内部流场的运动机理。本文主要通过研究喷射器内部速度场、压力场和温度场的变化来反映工质的流动机理，从而论述所建喷射器模型的准确性。 3.2.1. 喷射器内速度场分布 如图2和图3所示，喷射器进口对应位置在坐标原点右侧29.9 mm处，喷嘴出口位置在15 mm处，扩压室出口位置在坐标原点左侧14.5 mm处。可以看出流体速度呈现先增大后降低的趋势，并且在喷嘴出口处和扩压室的入口段流体的速度波动比较明显。这是因为工作流体在流经喷射器喷嘴喉部时速度值急剧增大，在喷嘴出口处达到超音速流。可以把引射流体卷吸进吸收室，实现了工作流体与引射流体的混合，混合过程中会发生能量的交换，工作流体速度将减小，引射流体速度将增大，并在混合室内最终完全混合为速度和压力居中的一股流体。经过扩压室时流体动能转化为压力能，压力增大，混合流体流速进一步降低，最终从扩压室出口排出进入到气液分离器中。并且从图2可知，由于工作流体与引射流体存在速度差影响，在吸收室内和喷嘴的出口截面处两股流体并未立即混合，而是形成了速度边界层紧密流动，这也验证了工作流体在内层、引射流体在外层的环状流现象的存在。 图2. 喷射器内部速度流场分布云图 图3. 沿中轴线方向的速度变化 3.2.2. 喷射器内压力场分布 从图4和图5可知工作流体的压力在喷射器喷嘴处发生了比较剧烈的变化当工作流体从喷嘴中高速流出时，压力值急剧减小，喷嘴出口截面处的压力值最低达1.1 MPa，使得喷嘴出口处周围形成负压区，从而实现将压力为3.9 Mpa的引射流体抽吸进吸收室进行混合，减少节流损失的目的。在混合室内流动过程中两股流体逐渐汇为压力居中的一股流体，流经扩压室后混合流体的压力呈现缓慢增长，最终混合流体以4.6 MPa的压力从扩压室排出。由此可得升压比为1.18，验证了喷射器在回收膨胀功中所起的作用。并且从图2和图4中能够观察到工作流体在喷嘴出口位置处产生了膨胀波，考虑是因为流体速度超音速，存在激波的影响。两股流体在边界层剪切力的作用下相互混合，受超音速流动和背压的作用，容易出现激波现象。这一现象在Bulinski [ 15 ] 等采用非均质模型通过嵌入偏微分传输方程建立的两流体模型中也有体现。 3.2.3. 喷射器内温度场分布 由图6可以看出沿喷射器入口方向的温度场分布情况，从压缩机出来的高温高压CO 2 气体经过喷射器喷嘴，内能转化为动能，工作流体流动速度增大，压力减小，温度降低，在混合室内与引射流体混合，发生质量、能量的交换，最后流经扩压室经其结构的升压作用，速度减小，压力增大，温度增加。本文中工作流体进口温度为35℃，引射流体进口温度为10℃，模拟得最终经扩压室排出的混合流体温度为33℃。 图4. 喷射器内部压力流场分布云图 图5. 沿中轴线方向的压力变化 图6. 喷射器内部温度场分布云图 3.2.4. 喷射器内壅塞现象研究 结合图2、图4和图7可以看出，由于在喷嘴出口处工作流体和引射流体的速度不均性，且差值较大，并且在背压的作用下，使得在从吸收室流入到混合室的过程中，形成了内层流动是超音速流、外层流动是亚音速流的环状流现象。由此引发的膨胀波在图2和图4中均有显现，且图7中可以看到喷嘴出口处存在着较大的湍流干扰，并在扩压室的入口处受膨胀波的影响造成混合流体在扩压室入口附近发生边界层分离引起流场震荡。综上图2至图7分析可知，喷射器流场中存在的激波现象主要发生在喷嘴的出口处附近和扩压室的入口处，激波前后的压力和速度变化也加剧了流动的复杂性。由于超音速流激波现象的存在，因此工作流体和引射流体在喷嘴出口处和吸收室中的混合过程会发生壅塞，为了更清楚的显示这种壅塞现象，本文中特地截取了喷嘴附近处流体流动的速度矢量图，如图8所示。 图7. 喷射器内湍流强度分布云图 图8. 喷嘴附近处流体速度矢量图 由图8可以看出，在喷嘴出口处的确发生了引射流的壅塞现象，由此引起了引射流体在喷嘴出口处会发生回流。这种扰动恰恰造成的两股流体在混合过程中的边界层干扰和分离，以及激波作用引起的动量和能量损耗构成了喷射器内部流体主要的流动损失。因此在以后开展的喷射器性能研究中应着重考虑激波的影响，以及如何尽可能的减少引射流在喷嘴出口处的壅塞。 综上所述，基于喷射器模型在Fluent软件中的数值模拟过程，通过对不同控制方程和湍流模型的比较和选择，确定了对喷射器模型适当的求解设置，设置流体物性和边界条件，选用合适算法导入Fluent中作初始化运算。通过对喷射器模型的求解得到喷射器内速度场、压力场和温度场的分布，以及分布对应在模型中轴线上的速度和压力分布。1) 由图2到图6所呈现的速度、压力和温度变化趋势可知，与第二章中流体在喷射器内的流动理论原理相对应，与理论趋势相切合，并且通过对喷射器内流动过程中湍流强度云图的分析从而验证了激波的存在，主要发生在喷嘴出口处和扩压室入口处，并进一步根据图8论证了工作流体和引射流体在喷嘴出口和吸收室内发生的壅塞现象。2) 根据相关的研究表明 [ 9 ] [ 16 ] 激波的干扰和流动的壅塞现象这些主要的流动损失，可以通过喷射器各部件的效率指标来表征，因此在本文对喷射器内部流场研究的基础上，可以进行对喷嘴效率、吸收室效率和扩压室效率进行研究其与结构尺寸和工况参数的关联，需要深入细致的分析内部流体的流动过程，获得各部件主要节点处的热力状态是准确评价这些效率的关键，进而才能进行喷射器的优化设计和性能预测。