引入实际气体的喷射器模型研究及混合特性分析

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喷射器是一种通过压力、温度不同的两股流体之间的能量转换,提高引射流体的压力而不直接消耗机械能的装置,在制冷、化工和航天领域得到了广泛应用。本文从构建喷射器的二维热力学模型出发,通过理论分析及数值计算探究两股流体的混合机理和混合室结构特性,主要研究内容及结论表述如下:首先,考虑到流体在喷射器内流动和混合过程的复杂多变性,本文引入CO2实际气体的物性,基于临界圆理论,结合一维气体动力函数和流体动力学方程,构建喷射器的二维热力学模型,导出流体在喷射器内关键截面上的速度、质量流量、临界圆半径和喷射系数的理论式。将喷射系数的计算值与文献中的实验值相比对,相对误差分别为6.1%、7.4%、8.3%、9.6%、9.2%,验证了模型具有一定的可信度,并且误差更为稳定。其次,基于上述热力学模型,通过数值计算,研究两股流体的进口压力对临界圆位置、引射流体的质量流量和速度的影响,进而得到进口压力与喷射系数之间的关系。结果表明,相比于工作流体压力,临界圆位置受引射流体压力的影响更大。引射流体压力低于5MPa时,引射流体的质量流量随引射流体压力提升而线性增大,超过5MPa后,引射流体的质量流量增大减缓。引射流体的速度与引射压力呈负相关,与工作流体压力呈正相关,受引射流体压力的影响更大。由工作流体压力的改变导致临界圆半径增大或减小,则喷射系数总体减小或增大;工作流体和引射流体压力单方面的提升,喷射系数有增大的趋势。最后,结合热力学模型,针对混合室结构优化设计引入了过余长度的概念,结合计算流体动力学(CFD)分析混合室结构特性,得到混合室结构与混合流体的速度场、压力场之间的关系,即速度场是决定混合室的径向尺寸的主要因素,压力场是决定轴向尺寸的主要因素。
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