不凝结气体对蒸汽喷射器性能影响的数值模拟

李 浩 陈 学 卢 涛

（北京化工大学机电工程学院）

蒸汽喷射器是利用高压流体 （称工作流体）抽吸低压流体（称引射流体）以提高引射流体压力的设备。 与传统升压机械相比，蒸汽喷射器具有安全可靠、无转动部件和外部电源、清洁环保、结构简单紧凑以及便于组装维护等优点，因而在海 水 淡 化［1］、制 冷［2］、余 热 回 收［3］与 核 电 厂 冷 却 系统［4］等领域得到广泛应用。 在蒸汽喷射器工作的过程中， 蒸汽中难免会混杂少量的不凝结气体，如空气。 而空气对蒸汽喷射器性能的影响机理尚待进一步探索。

早期主要通过实验手段来研究蒸汽喷射器内纯蒸汽与水的直接接触凝结。 ABE Y 和SHIBAYAMA S通过实验测量了混合喷嘴中的温度、速度和轴向压力的分布，并观察到了凝结冲击［5］。KWIDZINSKI R对低压汽水喷射器内的两相流进行了实验， 在不同蒸汽和水流量条件下，测量了沿喷射器混合室和扩散器的压力和温度分布［6］。 严俊杰等对超音速汽液两相流在变截面通道中的升压过程进行了实验研究， 结果表明，该结构中两相流的压力分布主要与进汽压力有关，同时，在变截面通道渐缩部分的压力可以近似认为不变［7］。 蒸汽喷射器的数值模拟研究同样集中在纯蒸汽与水之间。 ZHENG P等对两相喷射器进行了瞬态模拟，通过改变入口速度、出口压力等操作条件， 分析研究喷射器内的轴向参数分布，发现夹带率随着工作流体进口速度的升高和出口压力的降低而增加［8］。SHAH A等在不同蒸汽入口压力工况下，研究了蒸汽汽羽、汽液界面上的质量传递速率、压力分布和速度分布，研究发现蒸汽汽羽的长度随蒸汽入口压力的增大而增长，增大蒸汽入口压力有助于汽液界面上的质量传递［9］。 部分研究者还分析了不凝结气体对汽液直接接触凝结过程的影响。 CHEN X B等研究了不凝结气体对细管内稳定浸没蒸汽射流冷凝的影响，在广泛的水流过冷度、水流雷诺数和蒸汽-空气混合物流量范围内分析直接接触冷凝特性，包括射流羽流形状、无量纲穿透长度和平均传热系数［10］。 ZHOU L等通过数值模拟研究了不凝结气体对稳定冷凝射流的影响，研究发现随着不凝结气体含量的增加， 蒸汽羽流的穿透长度越来越长， 空气的体积分数在蒸汽羽流末端达到最大值，喷射器内空气的最大体积分数随着入口处空气体积分数的增加而增加［11］。

笔者对蒸汽中含有不凝结气体的直接接触凝结现象进行了数值模拟，研究了混合气体中空气质量分数和蒸汽入口压力对喷射器内各参数分布的影响，数值研究结果将有助于进一步明确不凝结气体对蒸汽喷射器性能的影响，并对其设计提供理论依据。

1 数学模型与数值模拟

1.1 数学模型

采用三维两相流欧拉模型对蒸汽喷射器内的流动进行数值模拟。 汽液直接接触凝结使用Lee模型进行建模。 在蒸汽喷射器的混合段，由于流动的可压缩性、超音速和高度湍流，使用标准kε模型进行模拟。

1.1.1 欧拉多相流模型

以p相和q相为例，给出欧拉多相流模型的平衡方程。

引入计算单元的相体积分数α，p相和q相的体积分数分别为αp和αq，q相的体积Vq定义为：

动量守恒方程为：

能量守恒方程为：

1.1.2 相间传递模型

使用Lee模型对汽液直接接触凝结过程进行建模。 在汽液界面上，当汽相的温度低于该点压力下的饱和温度时，蒸汽会发生凝结，将质量传递到过冷水中。 通过Lee模型对蒸汽向过冷水传递的质量进行建模，使用质量守恒方程中的质量传递源项表示两相间质量传递：

式中 Ts——蒸汽局部分压下的饱和温度；

λ——相变传热系数。

蒸汽的局部分压计算式为：

式中 ps——绝对压力；

αa——空气的相体积分数。

能量方程中源项表示为：

式中 Hpq——汽化潜热。

1.2 物理模型及模拟有效性验证

1.2.1 几何模型及网格划分

图1为蒸汽喷射器的结构示意图， 其结构包括蒸汽喷嘴、水喷嘴、混合段和扩压段4部分。 将气体入口中心点作为x轴原点。

图1 蒸汽喷射器的结构示意图

蒸汽喷射器的详细尺寸如下：

蒸汽喷嘴喉部直径d16.10 mm

蒸汽喷嘴出口直径d27.12 mm

勘查区位于和什托洛盖中—新生界断拗型盆地的中东部。区内地层有泥盆系、石炭系、三叠系、侏罗系、古近系、新近系和第四系。赋煤地层为下侏罗统八道湾组地层（赋存A煤组煤层）和中侏罗统西山窑组地层（赋存B煤组煤层）。

水喷嘴出口直径d324 mm

混合段喉部直径d415.5 mm

扩压段直径d530 mm

蒸汽喷嘴、水喷嘴长度 50 mm

混合段长度 110 mm

扩压段长度 100 mm

图2为ICEM生成的结构化网格， 网格数量为117 860。 在CFD模拟过程中简化了进水口位置，将图1蒸汽入口外侧圆环视为水入口。 屈晓航对水入口进行了相同的简化，并证明了这种简化对喷射器内部流动几乎没有影响［14］。

图2 网格划分图

1.2.2 边界条件

表1 CFD模拟工况参数

1.3 模拟有效性验证

采用与文献［9］相同的几何结构及工况进行模拟有效性验证，在蒸汽入口压力140 kPa，出口压力96 kPa的工况下， 将模拟所得的轴向压力数据与文献中的实验数据进行对比。

图3为轴向压力的分布曲线图， 轴向压力的模拟结果与实验数据吻合良好，两者的最大偏差为5.7%。 在蒸汽喷嘴中，由于拉法尔喷管的特殊结构，蒸汽喷嘴内轴向压力持续下降。 在蒸汽喷嘴的出口处，由于几何结构突变，使轴向压力突然上升后下降， 以平衡蒸汽喷嘴出口两侧的压力。 在混合段中，蒸汽与水直接接触，蒸汽发生连续的凝结，轴向压力基本保持不变，在蒸汽完全凝结时，会产生凝结冲击，轴向压力突然上升后降低。 之后进入扩压段，由于扩压段的扩张结构，轴向压力不断升高。

图3 数值模拟结果与实验结果的比较

2 模拟结果与分析

2.1 空气质量分数对蒸汽喷射器性能的影响

2.1.1 空气质量分数对蒸汽汽羽的影响

当蒸汽流量较高时，蒸汽射流会在过冷水中形成气穴，该气穴被称作汽羽。 图4分别为工况1～6的汽羽。 入射气体仅为纯蒸汽时，蒸汽自蒸汽喷嘴加速后进入混合段，高速气流使蒸汽喷嘴出口处形成负压， 将水喷嘴内的过冷水吸入混合段，在混合段内蒸汽与过冷水直接接触，蒸汽被过冷水包裹并发生剧烈的凝结，两者之间形成汽液界面，在该界面上完成汽液相之间质量、动量和能量的交换。 蒸汽在混合段内被完全凝结，离开混合段时全部为水。 相比于蒸汽入口仅通过纯蒸汽的工况，加入空气后，气体无法在混合段内全部凝结，而是通过扩压段后，由出口排出。 随着空气质量分数的增大， 蒸汽的凝结位置向出口移动，扩压段内的不凝结气体增多。

图4 不同空气质量分数的蒸汽体积分数云图

图5为混合气体中蒸汽的质量分数曲线，Na代表混合气体中空气的质量分数。 图中可以看出，加入空气后，蒸汽仍全部凝结。 在混合段的前半部分，同一轴向位置的蒸汽质量分数，随着蒸汽入口空气质量分数的增加而减小，这主要是由于混合气体中空气的质量分数增大导致，在混合段的后半部分， 同一轴向位置的蒸汽质量分数，随着空气质量分数的增加而增大，这是由于部分空气存在于汽液界面，阻碍了蒸汽与水之间的质量传递， 凝结同等质量的水需要更大的界面面积，这也是蒸汽的凝结位置向出口移动的原因。

图5 混合气体中蒸汽质量分数的轴向分布图

2.1.2 空气质量分数对蒸汽喷射器轴向压力的影响

由于蒸汽喷嘴内的轴向压力基本不发生变化，所以这里仅讨论混合段后的轴向压力。 图6为空气质量分数Na分别为0%～5%工况下蒸汽喷射器中的轴向压力分布曲线，图中可以看出，空气质量分数为5%时，混合段内轴向压力最大，随着空气质量分数的降低，轴向压力减小。 混合段内的压力是影响过冷水引射量的主要因素， 因此，提高空气质量分数使得混合段内的压力上升，不利于过冷水的输运。 此外，随着空气质量分数的增大，凝结冲击的位置向着出口方向移动。 将发生凝结冲击时的最大压力减去最小压力视为凝结冲击强度，可以看出纯蒸汽工况下的凝结冲击最大，为9.31 kPa，随着空气质量分数的增大，凝结冲击的强度逐渐降低，空气质量分数为5%时最小，为0.86 kPa。 这表明空气对蒸汽喷射器内的凝结冲击有抑制作用，并且随着空气质量分数的增大，抑制作用会增强。

图6 不同空气质量分数下的轴向压力分布

2.1.3 空气质量分数对蒸汽喷射器轴向速度的影响

如图7所示， 在蒸汽喷嘴内气体的轴向速度迅速增大，并达到超音速状态，在蒸汽喷嘴出口附近速度达到峰值。 进入混合段后，蒸汽与过冷水直接接触，蒸汽发生剧烈的凝结，在此过程中，轴向速度迅速降低，当蒸汽完全凝结后，由于扩压段的扩张结构，轴向速度缓慢降低。 改变空气质量分数同样对蒸汽喷射器的轴向速度产生影响，从图中可以看出，相比于蒸汽入口仅含纯蒸汽的工况，在混合段的后半部分，同一轴向位置，纯蒸汽工况的轴向速度小于含空气工况的轴向速度。 此外，空气质量分数的增加，几乎不影响蒸汽喷嘴内轴向速度的分布。

图7 不同空气质量分数下的轴向速度分布

2.1.4 空气质量分数对水入口质量流量的影响

图8为不同空气质量分数下的水入口质量流量曲线，可以看出空气质量分数为0%时，水入口质量流量为0.20 kg/s，随着空气质量分数的增大，水入口质量流量逐渐降低， 空气质量分数为5%时，水入口质量流量最小，为0.14 kg/s。 这也验证了章节2.1.2中，随着空气质量分数的增大，混合段内的压力升高，对水的引射作用降低。

图8 不同空气质量分数下的水入口质量流量

2.2 蒸汽入口压力对蒸汽喷射器性能的影响

2.2.1 蒸汽入口压力对轴向压力的影响

图9为空气质量分数为4%， 蒸汽入口压力pn分别为140、145、150、155 kPa工况下蒸汽喷射器中的轴向压力分布曲线，可以看出，在混合段及扩压段内，蒸汽入口压力为155 kPa时，轴向压力最小，随着蒸汽入口压力的减小，轴向压力升高。因此，蒸汽入口压力高有利于过冷水的引射。 此外，随着蒸汽入口压力的增大，凝结冲击的位置向着出口方向移动。 并且，在同等空气质量分数下，随着蒸汽入口压力的增大，凝结冲击的强度降低。

图9 不同蒸汽入口压力下的轴向压力分布

2.2.2 蒸汽入口压力对轴向速度的影响

图10为空气质量分数为4%，蒸汽入口压力分别为140、145、150、155 kPa工况下蒸汽喷射器中的轴向速度分布曲线，图中可以看出，蒸汽入口压力为140 kPa时，轴向上的速度极值最小，当蒸汽入口压力增大时，最大速度会升高，在混合段及扩压段同一轴向位置， 蒸汽入口压力越大，轴向速度越大。 同时观察到改变蒸汽入口压力对蒸汽喷嘴内部轴向速度的影响很小。

图10 不同蒸汽入口压力下的轴向速度分布

2.2.3 蒸汽入口压力对水入口质量流量的影响

图11为不同蒸汽入口压力下的水入口质量流量曲线， 可以看出蒸汽入口压力为140 kPa时，水入口质量流量为0.15 kg/s， 随着蒸汽入口压力的增大，水入口质量流量逐渐增加，蒸汽入口压力为155 kPa时，水入口质量流量最大，为0.20 kg/s。因此，随着蒸汽入口压力的增大，混合段内的轴向压力下降，轴向速度升高，对水的引射作用增强。

图11 不同蒸汽入口压力下的水入口质量流量

3 结论

3.1 蒸汽中混有少量空气时，蒸汽汽羽的轴向长度会增长，蒸汽在混合段内被完全凝结，空气从出口排出。

3.2 随着空气质量分数的增加，混合段的轴向压力会升高，凝结冲击的位置向出口处移动，凝结冲击的强度被抑制，对水的引射能力降低。

3.3 随着蒸汽入口压力的增大，混合段及扩压段内的轴向压力降低，轴向速度上升，对水的引射作用增强。