為了深入了解水蒸氣噴射泵內流場結構,采用物理模型,在保持其他條件不變情況下,采用計算流體力學模擬得到不同背壓下噴射泵內部壓力分布圖和混合室內跡線圖,模擬結果與實驗數據有較好的一致性。通過分析跡線圖中的邊界層脫離現象和壓力分布圖中壓力的關系,得出高壓力梯度作用導致了引射流體邊界層分離,而邊界層分離后導致有效區減小,造成引射系數急劇下降。

　　自從1910 年Maurice Leblanc 制成第一個水蒸氣噴射制冷系統以來,水蒸氣噴射制冷系統已經提出了很長一段時間,由于其制冷效率比較低,一直未受到足夠重視,發展一度受阻。隨著自然資源匱乏、環境污染嚴重等問題的日益凸顯,水蒸氣噴射制冷系統再度受到研究人員的青睞。因為它僅使用價格低廉的工業廢熱或完全免費的太陽能等低品質的熱源作為動力,且工作介質為水———最環保的制冷劑,對環境完全無害。

　　作為整個制冷系統的核心,噴射泵具有結構簡單,無任何回轉部件,運行過程無任何磨損,使用壽命長,維護費用低等優點,但其內部流動十分復雜,包括亞音速、超音速流動,因此,對噴射泵內部流動結構的了解是很有必要的。

　　傳統實驗方法在流場可視化和數據采集方面受到很大限制,而采用計算流體力學(CFD) 手段則能很好的解決這些問題 ,因此被越來越多的人所采用,并且在噴射泵研究領域得到應用。噴射泵結構和對應軸線壓力、速度分布如圖1 。工作蒸汽通過拉瓦爾噴管后獲得超音速氣流,噴出噴管后在其周圍產生一低壓區,壓力值低于蒸發器內壓力,在壓差驅動下,蒸發器內水蒸氣被抽入吸入室,在粘性力作用下,兩股流體在混合室內混合,經喉部、擴壓器排出。

圖1 　噴射泵及內部壓力、速度分布曲線

　　不同背壓下噴射泵引射系數曲線見圖2 ,將噴射泵工況大致為三部分———臨界狀態、次臨界狀態、回流狀態。當背壓低于臨界值時,在其他條件不變情況下,引射系數不受背壓影響,保持恒定值;而當背壓大于臨界值后,抽氣率隨背壓升高急劇下降,很快出現返流。

圖2 　噴射泵抽氣特性曲線

3、結論

　　(1) 采用CFD 手段對水蒸汽噴射泵流場模擬很好地捕獲了混合式內部的流動結構,能夠為分析和理解噴射泵性能提供幫助。

　　(2) 當背壓大于臨界背壓值時,由于高的壓力梯度導致混合室內出現邊界層脫離,形成的漩渦減小了吸入引射流體的有效區,使泵性能急劇下降。

　　(3) 隨著背壓的進一步增大,漩渦區域進一步擴展,形成返流。

　　上述研究結果表明,噴射泵工況必須保持在臨界狀態下,才能保證其正常穩定工作。