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排气引射流动现象广泛存在于排气引射-混合器中。工程中经常利用引射来增加主流流量,或利用来自环境的引射流体与主流的温度差调节主流温度,或通过组织引射气流形成冷却气膜把容器壁面与高温主流分隔开来,起到气膜冷却的作用。
在实验研究中,由于引射流入口与大气环境直接相连,导致引射流量难以测量;在数值研究中,由于引射流边界难以人为给定,导致数值计算结果和实验结果相差较远。因此,如何准确预测和测量引射空气量以及研究排气引射流动无论在学术上还是在国防和工业实际应用上都具有重要的意义。
本文采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)虚拟设计并建成一套能精确测量排气引射装置引射流量的风室实验系统。该系统采用辅风机主动供气的方式消除了风室压力对引射-混合器引射流动的影响,将引射器置于一个仅具有主流和引射入口的整流风室内,通过人工调整引射入口空气流量大小直至引射器附近监测面的面积平均总压与环境大气压相等来预测该环境下引射器的引射空气量。
本文首先通过数值计算的方法确定了风室模型方案。通过该风室模型获得的引射空气量计算值和实验结果相差较小,表明了模型的可靠性。在数值计算中,本文用界定计算区域的方法计算了排气引射流动的流场,解决了引射-混合器数值计算中引射边界难以选取,边界条件难以设置的问题。
其次,根据数值计算结果,通过对轴对称排气引射流动的研究,修正和完善了排气引射的流动机理,得出如下结论:
1)引射现象主要发生在卷吸区和混合管低压区;
2)主、次流掺混是通过流向涡和正交涡完成的,其中流向涡的作用在于增加主、次流之间的接触面积而正交涡的作用减小了主、次流之间的速度梯度;
3)引射流量之所以随主流流量的增加呈线性增加趋势,是因为卷吸区的压力梯度呈线性增加的缘故;
4)引射流量之所以随主流喷管与混合管之间距离的增加呈线性增加,主要是因为引射流入口面积的增加,而引射发生的区域卷吸区和混合管中的压力梯度变化对其影响不大。
最后,本文在新的风室模型中精确测量了在不同结构参数条件下,主流流量从最大值变化到最小值时轴对称排气引射-混合器的引射流量,揭示了引射混合器结构参数对其引射性能的影响规律:
1)混合管直径D2=250mm时,混合管内流动为过度发展状态,引射系数和引射流量随a值增加到最大值后逐步减小;
2)混合管直径D2=300mm时,混合管内流动为充分发展状态,引射系数和引射流量随a值增加后增长趋势不断变缓;
3)混合管直径D2=350mm时,混合管内流动为欠发展状态,引射系数和引射流量随a值增加不断增加。