基于拉格朗日观点的射流泵混合程度及评价方法研究

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射流泵是一种利用湍射流的紊动扩散作用来传递能量和质量的流体机械和混合反应设备。射流泵具有无运动部件、结构简单、密封性好、加工简单、维护方便等优点,已被广泛应用于国民经济的各个部门。由于射流泵内部工作流体与被吸流体之间存在着剧烈的能量交换与质量掺混,利用射流泵进行流体掺混在工业界也得到了广泛的应用。目前,有关射流泵性能、结构设计等问题的研究较多,但关于其混合能力及其定量表征的研究还较为少见,限制了射流泵在流体掺混方面的进一步推广应用。为此,本文基于三维拉格朗日粒子跟踪技术,提出了一种评价射流泵内混合程度的新方法。相比传统基于欧拉观点的混合程度评价方法,该方法物理意义更为清晰明确,且能对射流泵内混合程度实现定量的评估。利用该方法,本文还深入分析了射流泵内混合程度随流动时间、截面、流量比等参数的变化规律,为提高射流泵的混合能力提供了重要参考。本文主要工作和研究成果如下:(1)开发了一个拥有完全自主知识产权的三维拉格朗日追踪程序。基于拉格朗日观点,利用Fortran语言在VS 2010平台上编写了一个三维粒子轨迹追踪程序。该程序能够准确地追踪到流场内粒子的运动轨迹。为了提高计算效率,本文构建了一个大规模三维点阵高效寻邻算法,并提出了一个基于负载平衡的MPI并行策略,显著提高了程序的运行效率。相比优化前的程序,优化后的三维拉格朗日粒子追踪程序效率提高了20倍左右,为本文的研究提供了强有力的技术支撑。(2)基于上述的三维拉格朗日粒子追踪程序,本文提出了一个基于拉格朗日观点的新射流泵混合程度评价指数,即粒子异同指数。为了获得一个适用于射流泵混合程度评估的指标,本文提出了多个基于拉格朗日观点的射流泵混合程度评价指标,即粒子浓度方差计算、粒子相对位置变化计算、广义平均混合指数、粒子异同指数等,并对其进行了系统的对比分析。结果表明,粒子异同指数则通过考察平面内相邻粒子之间的异同情况来计算平面内的混合程度,不受空间大小的影响,能如实反映射流泵内混合程度的变化情况,相比其他三种评价指标具有较为明显的优势。应当指出的是,粒子异同指数的计算结果在一定程度上受到粒子总个数的影响,粒子总数越多,混合程度计算结果就越接近实际混合情况,当粒子总个数增加到一定程度,混合程度计算结果趋于一个定值,该定值最能反映实际混合情况。(3)本文还将上述提出的新射流泵混合程度评价指数,即粒子异同指数,与两种典型的基于欧拉观点的混合程度评估方法进行了深入对比。研究发现,基于欧拉观点的混合程度评估方法虽然可以在一定程度上反映喉管内射流掺混的趋势,但是对扩散管内混合程度的趋势性变化均出现了严重偏差。而本文提出的基于拉格朗日观点的粒子异同指数评价方法,对射流泵喉管及扩散管内的掺混过程均能进行准确地表征,是一种较为理想的射流泵混合程度评价方法。(4)利用上述基于拉格朗日观点的粒子异同指数射流泵混合程度评价方法,本文分析了射流泵内混合程度随流动时间、截面位置以及流量比的变化规律。研究发现,射流泵内的混合程度未能呈现随着时间的明显变化;一般来说,混合程度会沿程逐渐增长,在势流核心区内混合程度增长迅速,离开势流核心区后,混合程度增长速度变缓,并趋于定值;射流泵的混合程度也会随着流量比的改变产生较为显著的变化。在流量比非常小的时候,在喉管入口处混合程度就达到较大值。随着流量比的增加,在喉管前半管段混合程度迅速增长,到后半管段增长速度减缓,直至某一定值。此外,流量比越大,混合程度达到稳定值的位置就越靠近下游,在效率最高的工况下混合程度稳定值达到最大。本文的工作可为射流式混合器的优化提供了一定的理论参考。
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