摘 要

喷射器，两种不同压力的流体在其内部混合并进行能量的交换，从而汇合形成一条压力与速度处于中等水平的混合流体。喷射器最大的优点和最根本的特点是一方面它可以提高引射流体的压力另一方面它不用消耗例如机械能等外加能源。喷射器结构简单，没有什么复杂的构造，因此制造也比较简单，广泛地应用于发电厂，废气余热供暖装置方面，制冷技术方面，工业热工技术方面，通风装置与自来水装置等方面。尽管喷射器结构比较简单，但是它的内部流场是比较复杂的，并非我们想象的单一，包含了很多种现象。

本文以文丘里管引射器为循环装置的供应系统，根据索科洛夫著的《喷射器》其中所讲的引射器设计方法为基础，对质子交换膜燃料电池中的引射器进行设计和性能分析，并通过FLUENT软件进行仿真分析，进行结构优化。在特性分析时主要进行入口压力，出口压力，引射压力对喷射器性能的影响。在对其优化方面，主要体现在结构尺寸方面，比如扩散室的直径，喷嘴距离混合室的距离以及混合室的长度。通过对喷射器进行仿真分析，得到的结果表明，增大引射器的出口压力和引射流体压力可以提高喷射系数，而增大引射器入口压力和喷射系数的增大不是线性关系，它的影响取决于引射器的出口压力，他们两个相互作用。此外引射器出口工况不同时，喷射系数是随引射器入口压力的规律是不同的。在结构方面，在混合室的长度对喷射系数的影响是比较小的，这里我们取长度为22mm.当扩散室直径为25mm左右时，喷射系数基本上达到最大值。所以我们取直径25mm。混合室的直径我们取20mm左右，此时达到最优值。

关键词：喷射器；FLUENT；数值分析；结构优化

Abstract

Ejector, the device under different pressure of two fluids are mixed with each other, and can exchange energy, to form a middle pressure fluid mixture. To improve the injection pressure of fluid without mechanical energy, which is the main performance of the injector is the most fundamental. The injector has the advantages of simple structure, the manufacturing industry is also more convenient, widely used in various engineering technology. Such as power plants, exhaust gas afterheat heating device, refrigeration technology, industrial thermal technology, ventilation device and tap water device. Although the injector has the advantages of simple structure, but its internal flow field is relatively complex. Contains the shock wave, viscous interference, boundary layer, the interaction of the shear layer.

The ejector for the supply of circulating system in Venturi tube, according to the "Sokolov" which tells the ejector ejector design method lead based on proton exchange membrane fuel cell in the ejector for design and performance analysis, and through the FLUENT software simulation analysis, structure optimization. The main entrance pressure, in the characteristics of the outlet pressure, pressure on the influence of ejector ejector performance. In the optimization, mainly reflected in the size of the structure, such as diffusion chamber diameter, nozzle distance hybrid distance etc..

Through the simulation analysis of the injector, the obtained results show that the increase of ejector outlet pressure and ejection of fluid pressure can improve the injection coefficient, increasing ejector entrance pressure and injection coefficient increase is not linear relation, it depends on the influence of ejector outlet pressure, the two of them interact. And the ejector exit condition is not at the same time, the jet ejector coefficient is with the entrance pressure law is different. In terms of structure, the length of the mixing chamber to its diameter, jet coefficient to obtain the optimal value. When the outlet diameter is, the injection coefficient reached the maximum value.

Key Words：Ejector；Fluent；Numerical Analysis;Structural optimization

目录

第 1 章 绪论 1

1.1 课题研究背景与意义 1

1.2 论文主要内容 2

1.2.1 最大引射系数的计算 2

1.2.2 压缩器的主要截面积 4

1.2.3 压缩器的轴向尺寸 5

第 2 章 基于CFD方法进行引射器的特性分析 7

2.1 CFD软件及功能方法介绍 7

2.1.1 CFD软件的介绍 7

2.1.2 湍流模型 7

2.1.3 建立控制方程 8

2.1.4 确定边界条件和初始条件 8

2.1.5 网格的划分 8

2.1.6 离散的方法 9

2.1.7 离散方程的求解 9

2.2 引射器的数值模拟过程 9

2.2.1 建 模 10

2.2.2 网格划分 10

2.2.3 边界条件 11

2.2.4 求解器选择 11

2.2.5 离散方程求解 11

2.2.6 喷射器内部流场分布及分析特点 11

2.3 工作条件对喷射器的影响 13

2.3.1 出口压力对引射器性能的影响 14

2.3.2 工作流体压力对引射器性能的影响 14

2.3.3 引射流体压力对引射器性能 15

2.4 结构优化 16

2.4.1 混合室直径对引射性能的影响 16

2.4.2 扩压室出口直径对性能的影响 19

2.4.3 混合室长度对喷射器性能的影响 21

第 3 章 结语与展望 23

参考文献 25

致谢 26

绪论

能够提高流体的压力却不直接消耗机械能等外加能源是喷射器最根本的特点，它不仅结构简单，而且与各种设备相连接，其系统也比较简单，制造也很方便，广泛地用于动力，石油化工，冶金，建筑，制冷和农业等领域，其应用前景广大。

课题研究背景与意义

近年来，环境污染，生态破坏，能源危机成为我们现代社会所面临的紧迫问题，我们过度地开发化石能源，已经使得我们的大自然伤痕累累，迫切的要求我们开发出一种新能源或者一种环境友好型的能源使用方式。随着对喷射器理论的研究，我们似乎找到了一个出路。喷射器可以提高引射流体的压力而不消耗机械能，这对我们来说无疑是一件好事。不需要消耗能源却能达到我们的要求。

喷射器主要有两方面的应用，当工作流体以很高的速度从喷嘴口喷出来时，根据流体力学方面的知识，流速越高压力越小，因此会在局部形成了一块低压的区域，等引射流体进入接受室，则把喷射器前压力较低的介质吸进混合室，这方面应用于真空泵。工作流体和引射流体进到混合室，进行充分的混合，最终会达到一种稳态。在扩散室出口处，混合流体的压力因为速度的降低将会提高，并高于接受室引射流体的压力。喷射器虽然结构简单，但由于其实现的功能有强大的实用性，因此被广泛用于各领域。为了提高喷射器的工作效率，即提高其喷射系数，我们对喷射器进行特性分析。主要研究出口压力，入口压力以及引射流体压力对其影响，包括优化结构尺寸对其性能的影响。目前对喷射器的研究已经取得了很大的进展，随着科技的进步，我们可以利用计算机软件更快更精确的处理各种数据以及模拟各种情况。相信随着更进一步的研究，喷射器的性能将会有更进一步的提升。

论文主要内容

　PEMFC引射器工作原理

针对PEMFC即燃料电池，由于其工作时是一个循环，我们必须保证其工作时内部条件和各种工作参数趋于平衡。否则的话对于燃料电池的工作性能以及寿命情况等都有很大影响。我们知道PEMFC的工作原理是氢气和氧气发生化学反应释放出化学能。因此如果我们想要提高反应的效率，我们可以将生成的水排出去使化学反应向右方向进行。当我们分离出水时，通常含有一部分氢气。为了提高氢气的利用率，我们采用汽水分离装置，将氢气进行回收以重新利用。如下图所示时大致的循环机理。氢气瓶出来的高压氢气带着电堆里未消耗完的氢气一起进入引射器的混合室进行混流，在经扩压室又进入电堆完成一个循环。这种方式简单可靠，同时不需要外加的机械能，而且其转化的效果也很不错。因此我们需要合理的设计引射器以期望能够能够最大化的提高效率。

图 1.1引射器工作原理示意图

引射器的设计主要是根据索科洛夫著的《喷射器》一书进行设计。结合三大公式，能量守恒，质量守恒，动量守恒公式进行结构设计。

在PEMFC系统中，入口处为减过压的氢气，出口处需要满足电堆处的要求，引射端与电堆出口段相连引进残余氢气。进行设计前，我们需先假定一些工作参数，如下表

表 1.1 参数表

最大引射系数的计算

引射系数u是引射器设计中的一个重要的参数，它定义为被引射气体的质量流量和引射气体的质量流量之比。这就意味着引射系数越大，在同等条件下引射系数大的要能携带更多的引射流体，即引射能力就越强，其效率就自然比较高。因此如果研究引射器，分析他的引射系数是避不开的。下图是引射器各种结构参数的表达情况，

图 1.2引射器主要参数分布

在上图中w为流体的速度，其单位是m/s，G为流体的质量流量，其单位是kg/s，f为流体所占的面积，单位是m²,p代表流体的静压力，单位为pa。p意思是工作流体，h是引射流体，c代表混合流体。字母上标带*表示处于临界界面。1-1截面是喷嘴出口的截面，2-2截面是混合室入口截面，3-3截面是混合室出口截面，又是扩散室的入口截面。在喷嘴中，由于喷嘴的特殊结构，存在着一段渐扩阶段，气体的压力从p_p降到p_p1=p_h,根据流体力学知识，压力下降会引起速度的增大，速度从w_p增加到w_p1.同理，在喷嘴出口截面上气体的速度w_p1大于在喷嘴的临界截面f_p*上气体的临界速度a_p*。工作气体以速度w_p1从喷嘴出来进入接受室，此时引射流体以w_h的速度进入接受室，两者相互混合，由于此时的工作流体速度要远大于引射流体的速度，因此工作流体将带动引射流体一并进入混合室，从而达到引射的目的。对截面2-2和3-3之间的混合室，这里混合室成圆柱形。对这一部分建立动量方程，动量的变化等于力的冲量。我们可以做出这样的假设，工作流体从喷嘴喷出时于此时在接受室的引射流体不相混合，即依然各自保持自己的流动状态，这样的话我们就可以分开单独对他们进行分析，从而建立动量方程。这里动量方程可以写成

Φ₂（G_pw_p2 G_hw_h2）-(G_P G_h)w₃=(p₃-p_p2)f_p2 (p₃-p_h2)f_h2 (1.1)

G_p代表工作流体的流量，G_h代表引射流体的流量，w_p2代表混合室入口截面上工作流体的速度，w_h2代表混合室入口截面上引射流体的速度，p_p2代表混合室入口截面上工作流体的静压力，p_h2代表圆柱形混合室出口截面上引射流体的静压力，f_p2代表工作流体在混合室入口截面上所占的面积，f_h2代表引射流体在圆柱形混合室入口截面上所占的面积，φ₂代表混合室的速度系数。

从《喷射器》一书中，我们可以知道混合室截面上流体速度可以用下面的试子来表达

A_p*= (1.2)

A_h*= (1.3)

K_p-工作流体的绝热指数，k_h-引射流体的绝热指数，k_c-压缩流体的绝热指数，a_p*-工作流体的临界速度，a_h*-引射流体的临界速度。

在圆柱形混合室中，存在着如下的截面公式

F_p2 f_h2=f₃ (1.4)

然后依据质量守恒定理，我们可以得到

G_C=G_P G_H (1.5)

经过一系列的计算以及公式演变，此处省略具体的演算过程，我们可以得到如下的引射系数计算公式，

U= （1.6）

K_1-工作流体的速度系数，k₂-引射流体的速度系数

K₁= （1.7）

K₂= （1.8）

K₃=1 （1.9）

K₄=1 （1.10）

根据试验研究，我们取一些经验值，这里我们分别设φ₁=0.95，φ₂=0.975，φ₃=0.9，φ₄=0.925。经过复杂的计算，我们发现当时，引射系数达到了最大值，其值为1.1968326。

压缩器的主要截面积

在临界截面上，气体的密度为p_p*,公斤/米³，速度是a_p*,米/秒，我们可以推出

F_p*= （1.11）

工作喷嘴出口截面f_p的可以由下试来确定

（1.12）

我们可以通过计算得到喷嘴出口截面处的工作流体的相对压力值。，然后我们查找气体动力函数表，则喷嘴的入口截面面积f_p可以由下试来确定，

（1.13）

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