蒸汽噴射泵的操作工況在偏離設計值時，噴射性能會嚴重惡化。本文借助連續介質力學數值模擬工具-STARCCM+ ，對三噴嘴蒸汽噴射泵內部流場進行了三維數值模擬。分析了操作參數( 背壓、工作蒸汽壓力和引射蒸汽壓力) 對其噴射系數的影響，并與相同工況下單噴嘴蒸汽噴射泵進行對比。此外，對三噴嘴蒸汽噴射泵的結構參數( 噴嘴軸線的匯交點位置) 進行了考察。結果表明，在工作蒸汽變工況操作條件下，三噴嘴蒸汽噴射泵能夠保持穩定、可靠運行； 在相同工況下，三噴嘴蒸汽噴射泵的臨界背壓值小于單噴嘴。在多噴嘴蒸汽噴射泵的設計中，各噴嘴軸線的匯交點位置存在一最佳值。

　　蒸汽噴射泵是一種以蒸汽作為工質，通過射流紊亂擴散，實現高壓蒸汽抽吸低壓蒸汽的裝置。該裝置能將兩種不同壓力等級的蒸汽進行混合，通過能量交換、傳遞，形成一種居中壓力的蒸汽，還可以實現抽吸真空、制冷以及輸運流體等目的。由于其結構簡單、沒有運動部件、不直接消耗機械能等優點，在動力、化工、制冷、冶金、輕工等領域得到了廣泛的應用，其中熱泵蒸發系統和蒸汽噴射式制冷系統是其熱門的應用領域。蒸汽噴射式熱泵蒸發系統如圖1 所示，是將蒸發器產生的低壓二次蒸汽通過蒸汽噴射泵升壓后重新加以利用。而蒸汽噴射式制冷系統是可能代替現有制冷系統的非常有前景的技術，該系統能夠利用環保類的制冷劑、可再生能源和低品位的廢熱熱源，因此得到越來越多的關注和研究。蒸汽噴射式制冷系統如圖2 所示，高壓工作蒸汽通過噴射泵對低壓蒸汽進行抽氣、壓縮作用，使制冷劑(水) 通過蒸發器吸收冷水熱量后變為低壓水蒸氣后又被噴射泵抽走，冷水因失去熱量而溫度下降，因此產生制冷效果。

圖1 熱泵蒸發系統示意圖

圖2 蒸汽噴射式制冷循環示意圖

　　噴射泵作為熱泵蒸發系統和噴射式制冷系統的關鍵裝置，其性能的好壞對系統效率有著決定性作用。盡管蒸汽噴射泵在實際生產中應用廣泛，但由于其內部超音速流場的復雜性，如激波、分離渦、粘性干擾等現象的出現，使得迄今為止，對其理論研究還不夠深入。計算流體力學(CFD) 數值模擬技術的出現，為研究和分析噴射泵內部流場提供了有效工具。

　　近年來，國內外許多學者對噴射泵進行了大量的研究，Kanjanapon Chunnanond 等通過實驗分析了噴射泵內部壓力的分布，Natthawut Ruangtrakoon 等通過實驗研究了噴嘴尺寸對噴射泵工作性能的影響，Dong 等，岳向吉等通過數值模擬的手段研究了噴射泵內的流場狀態，王曉冬和王維娜則利用CFD 建模計算手段對RH 真空脫氣過程流場進行了研究、預測，這些結論都可以為研究蒸汽噴射泵流場提供參照依據。但以上多數研究針對的是單噴嘴結構的蒸汽噴射泵，由于多噴嘴蒸汽噴射泵內部流場比單噴嘴的更復雜，因此至今對多噴嘴結構蒸汽噴射泵很少涉獵。而傳統的單噴嘴蒸汽噴射泵的操作工況在偏離設計值時，噴射性能會嚴重惡化。因此，本文立足于多噴嘴結構形式的蒸汽噴射泵，以典型的三噴嘴結構為研究對象，分別從操作工況和幾何結構兩方面，對多噴嘴蒸汽噴射泵性能影響因素進行研究，為設計高性能且穩定可靠的多噴嘴蒸汽噴射泵提供理論基礎。為擺脫二維模型太過簡化的缺點，避免流場的失真，本文將采用新一代CFD求解器-STAR-CCM +5.06.007 軟件對三噴嘴蒸汽噴射泵進行三維數值模擬研究。

1、數值模擬方法

　　1.1、幾何模型

　　以某廠一臺三噴嘴蒸汽噴射泵為例進行計算，其幾何結構的二維示意圖如圖3 所示，主要由噴嘴、接受室、混合室及擴壓室4 部分組成，主要尺寸見表1。利用三維繪圖軟件solidworks 對其進行幾何繪制，并保存為stl 格式文件。

圖3 多噴嘴蒸汽噴射泵結構示意圖

表1 三噴嘴蒸汽噴射泵主要尺寸

　　1.2、網格劃分

　　將上述Stl 格式文件導入STAR-CCM + 中，根據蒸汽噴射泵模型的特點，采用計算精度較高的Trimmed 網格，如圖4 所示，另外為了保證模型局部的計算精度以及網格數量過多影響計算速度，對噴嘴和混合室部分進行適當加密。以Wall Y + 數值為檢驗邊界層尺寸是否設置合適為標準，得到符合此模型的最佳邊界層尺寸。由于蒸汽噴射泵的結構屬于對稱結構，為了節省計算時間與計算機資源，本文將模型的一半作為研究對象進行模擬計算，得到的CFD 模型的計算域和網格如圖4 所示。

圖4 三噴嘴蒸汽噴射泵CFD 模型的計算域和網格

　　1.3、邊界條件

　　蒸汽噴射泵的工作蒸汽進口、引射蒸汽進口，模擬時均采用壓力入口邊界，給定滯止壓力、溫度及適當的湍流條件；混合流體出口，采用壓力出口邊界，給定靜壓及適當的回流條件；固體壁面采用無滑移、無滲流、絕熱邊界。流體介質的密度按理想氣體計算，物理參數為等效溫度下的常量，設備的設計參數見表2。

表2 三噴嘴蒸汽噴射泵的設計參數

　　1.4、計算模型

　　采用有限體積法，在控制方程Reynolds-Averaged Navier-Stokes 的基礎上，選擇Standard K-ε 湍流模型對其流場進行求解，近壁面處采用壁面函數模型High y + Wall Treatment 對其進行修正。選用隱式耦合求解器Coupled Solver 求解方程，在計算迭代過程中通過調節庫朗數Courant number 來保證計算的收斂。工質設置為水蒸汽，由于內部的流動為跨音速流動，最大速度為超音速，為可壓縮氣體，密度采用理想氣體法處理。模擬計算是否收斂則根據殘差圖、監測進出口流量、噴射系數曲線、質量守恒綜合判定。

　　1.5、衡量蒸汽噴射泵性能的參數

　　噴射系數( entrainment ratio) u 是引射流體的質量流量GH與工作流體的質量流量GP之比(u = GH /GP) ，表示一定工況下，單位工作蒸汽所能抽吸引射蒸汽能力的大小，是衡量蒸汽噴射泵工作性能的重要指標之一。在本模擬結果中，將其作為重要的參考標準。

　　1.6、收斂判據

　　(1) 各變量(速度、壓力、湍流動能等) 的殘差達到10^-4以下；

　　(2) 質量流量穩定，即噴射系數u 數值穩定。

　　1.7、模型驗證

　　利用上述方法，對文獻實驗的蒸汽噴射泵設置參數(pP = 0.45 ～0.6 MPa，p H = 0.0435 MPa，蒸發溫度為10℃) 進行模擬。如圖5 所示模擬值與實驗值的誤差均在7% 以內，因此本文選用的模擬方法能夠較好地研究三噴嘴蒸汽噴射泵的噴射性能。

圖5 模擬值與實驗值對比

3、結論

　　通過對三噴嘴與單噴嘴蒸汽噴射泵的三維數值模擬研究，得出以下結論：

　　(1) 相同工況下，三噴嘴蒸汽噴射泵內的臨界背壓值p*C比單噴嘴的小。

　　(2) 三噴嘴蒸汽噴射泵引射蒸汽壓力越小，對應臨界背壓值p*C也越小。

　　(3) 在工作蒸汽壓力一定的變化范圍內，三噴嘴蒸汽噴射泵能維持穩定的噴射系數，運行可靠。

　　(4) 蒸汽噴射泵噴射系數隨引射蒸汽壓力的增大而增大；背壓值越小，在一定范圍內噴射系數隨引射蒸汽壓力增長的幅度也越小。

　　(5) 多噴嘴蒸汽噴射泵內各噴嘴的軸線交點位置x 存在一最佳值，本文中三噴嘴蒸汽噴射泵的最佳匯點位置為x = 210 mm 處，處于混合室收縮段的中間。