所属栏目：物理论文范文发布时间：2026-01-14浏览量:353
径流式气波引射器运转时，轴功是需要考虑的一个重要参数。通过数值模拟分析了结构和操作参数与轴功之间的关系，得出了最优参数。结果表明，对于弯曲通道，当固壁距离为6°、偏转距离为16°、中压端口尺寸为23°时设备性能最优。在操作参数方面，当膨胀比为1.5、压缩比为1.15、转速为3250r/min时设备输出轴功仅为453 W，引射率为66%，等熵效率为73%。相比于结构和操作参数，径流式气波引射器的流道形式对设备性能的影响更为重要，对于斜通道，倾斜角度为60°时，输出轴功为730 W，引射率为134%，等熵效率为78%，性能较好。计算所得数据对于径流式气波引射器的优化和设计具有重要的指导意义。
关键词: 气波引射; 轴功; 参数
论文《气波引射器轴功匹配分析》发表在《大连理工大学学报》，版权归《大连理工大学学报》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
0 引言
气波引射器是利用压力波和膨胀波[1-3]进行能量交换来实现气体增压引射、制冷的非稳态能量传递装置。虽然传统静态喷射器[4-5]使用简单、维护方便，但是其运行时高低压气体的掺混导致设备效率非常低。气波引射器具有更高的能量利用率，减少了能源浪费，从而得到了广泛关注且已应用于工业领域。气波引射器最早由Spalding[6]和Jendrassik[7]在20世纪50年代提出，随后Azoury[8]进行了理论研究，但受限于当时对非稳态流动的认识，并未进行机理分析。而后，Kentfield[9]搭建了实验平台进行性能测试，结果表明，实验装置效率达到70%，与涡轮装置的效率相当。
气波引射器可以分为轴流式[10]和径流式[11]两种。轴流式气波引射器运转时，转子流道壁面和气体之间的相互作用力较小，转子旋转只是为了转子和气体端口之间的连接和闭合。径流式气波引射器在离心力作用下有更为出色的增压引射性能，但是，转子流道中的气体和壁面之间会产生较大的相互作用力，流动也更加复杂，在不同的结构和操作参数[12]下径流式气波引射器在轴功和性能方面会有不同的表现。径流式气波引射器启动时会消耗较多轴功，而在运转平稳后会输出较多轴功，两者都会影响设备性能。
在以往的研究中，针对轴流式气波引射器的模拟和实验较多，在径流式气波引射器轴功方面的研究有所欠缺。本文通过数值模拟，研究径流式气波引射器在运行过程中的输出轴功问题，研究成果对于改进径流式气波引射器具有重要意义。
1 研究方法和性能评价指标
1.1 研究方法
1.1.1 模型建立
本文研究了3种通道的气波引射器，设固壁距离为L、偏转距离为(L_{dot{gamma}})、低压端口尺寸为(L_{1})、中压端口尺寸为(L_{m})、高压端口尺寸为(L_{h})，以上尺寸角度圆心均为转子中心，转子流道以逆时针方向旋转，首先旋转至各端口始边，然后旋转至各端口终边完成接通与闭合。斜通道倾斜角度为α，弯曲通道入口倾角为(eta)。分别研究结构参数、操作参数和流道形式对径流式气波引射器输出轴功(P_{out })和引射性能的影响。
对于3种通道的气波引射器，均选定转子外径为430mm，内径为180mm。对于斜通道，主要调整倾斜角度，考察其对引射性能和输出轴功的影响;对于弯曲通道，主要调整曲率半径，考察其对引射性能和输出轴功的影响。
(a)直通道 (b)斜通道 (c)弯曲通道
图1 3种气波引射器通道示意图 Fig.1 Schematic diagram of three types of airwave ejector channel
1.1.2 研究原理及速度三角形划分
针对轴功的分析，透平机械在此方面的研究较多。因此，分析气波引射器的输出轴功可以类比透平机械的方式进行。计算公式如下(式中：M为转子受到的扭矩，F为转子受到的冲击力，r为力臂，A为微元面，p为转子受到的静压力，(A_{x})为微元面在x轴上的投影，(A_{y})为微元面在y轴上的投影，θ为微元面与x轴的夹角)。
编写相对应的UDF导入Fluent中，在计算结果中通过report可得到输出轴功[13]，即气波引射器在运行过程中产生的轴功。
以单根流道作为控制体，建立速度三角形，对径流式气波引射器进行热力学分析，得出径流式气波引射器启动时消耗的轴功[14]。
1.2 性能评价指标
1.2.1 引射率
将径流式气波引射器低压端口的气体流量和高压端口的气体流量之比定义为引射率[15]，即(xi = m_{1}/m_{h})(式中：ξ为引射率，(m_{1})为低压端口的气体质量流量，(m_{h})为高压端口的气体质量流量)。
1.2.2 等熵效率
为了综合表述径流式气波引射器的效率，采用等熵效率来描述，公式如下[16](式中：η为等熵效率;(T_{1})、(p_{1})分别为低压气体的温度、压力;(T_{h})、(p_{h})分别为高压气体的温度、压力;(p_{m})为中压气体的压力;k为气体绝热指数，理想气体的绝热指数为1.4)。
除上述引射率和等熵效率性能评价指标之外，还有膨胀比和压缩比两个重要的概念，膨胀比定义为(p_{h}/p_{1})，压缩比定义为(p_{m}/p_{1})。
2 结果分析
课题组前期对径流式气波引射器启动时消耗的轴功进行了研究[10]，发现直通道径流式气波引射器启动时消耗轴功较多，而弯曲通道径流式气波引射器启动时消耗轴功较少。在保证设备引射性能的前提下，优化得到输出轴功较少的结构和工况。
2.1 结构参数的影响
本节研究的转子流道为弯曲流道，曲率半径为[具体数值]，入口倾角β为[具体数值]，膨胀比为[具体数值]，压缩比为1.1，转速为3250r/min。
2.1.1 固壁距离的影响
在数值模拟过程中，为了降低低压端口尺寸对流体流动产生的影响，使低压端口终边位置不变，只改变低压端口始边位置，从而达到改变固壁距离的目的。固定高压端口尺寸为15°，中压端口尺寸为23°，偏转距离为22°。
如图2所示，随着固壁距离增大，输出轴功变化并不显著。输出轴功是由于进气端口气体喷入流道时与壁面之间存在角度，气体对壁面作用产生压差所造成的。进气端口的喷射气体提供的动力是输出轴功的主要动力来源，因此固壁距离对输出轴功影响不大。随着固壁距离增大，等熵效率与引射率均先增大后减小，且引射率在固壁距离为6°时达到最大，等熵效率在固壁距离为7°时达到最大。由于固壁距离为6°和7°的等熵效率相差较小，且引射率是更重要的设计参数，因此最优固壁距离为6°。
图2 固壁距离的影响 Fig.2 Effect of fixed wall distance
2.1.2 偏转距离的影响
如果只改变偏转距离，中压端口的终边会随着偏转距离的改变而改变，这样就会影响产生的波系。因此，固定终边位置，只令中压端口始边随着偏转距离改变来研究对设备性能和轴功的影响，固定高压端口尺寸为15°，低压端口尺寸为26°，固壁距离为6°。
如图3所示，引射率和等熵效率均随着偏转距离增大呈现先增大后减小的趋势，分别在偏转距离为22°和[具体数值]时达到最大。输出轴功随着偏转距离的增大而增大，在偏转距离小于20°时，输出轴功变化较为明显，当偏转距离大于20°时，输出轴功变化较为缓慢。偏转距离越大，通道接通中压端口的时间越短，通道内压差的损耗越小，输出轴功就越多。因此，在此范围内，偏转距离为16°时性能最优。
图3 偏转距离的影响 Fig.3 Effect of deflection distance
2.1.3 低压端口尺寸的影响
在模拟过程中改变低压端口尺寸对于其他结构参数来说影响比较小。因此，在模拟时只需改变低压端口的终边位置就可达到研究目的。固定高压端口尺寸为15°，中压端口尺寸为23°，固壁距离为6°，偏转距离为22°。
如图4所示，引射率和等熵效率均随着低压端口尺寸增大呈现先增大后减小的趋势。输出轴功随着低压端口尺寸的增大而增大。输出轴功和气体流量之间也存在关系，低压端口尺寸增大，气体流量增大，输出轴功也增大。
图4 低压端口尺寸的影响 Fig.4 Effect of low-pressure port size
2.1.4 中压端口尺寸的影响
为了减小中压端口尺寸对其他参数的影响，模拟过程中只使中压端口的终边发生变化。固定高压端口尺寸为15°，低压端口尺寸为[具体数值]，固壁距离为6°，偏转距离为22°。
如图5所示，随着中压端口尺寸增大，引射率和等熵效率均先增大后减小，且分别在中压端口尺寸为23°和[具体数值]时达到最大。输出轴功随着中压端口尺寸增大先减小后增大，在中压端口尺寸为25°左右时，输出轴功出现最小值。随着中压端口尺寸增大，出口流速减小，气体对壁面的作用力变小，所以输出轴功减小，当中压端口尺寸继续增大时，出口流量增大，所产生的输出轴功也会增大，流速减小的效果小于流量增大所产生的效果。因此，最佳的中压端口尺寸为23°。
图5 中压端口尺寸的影响 Fig.5 Effect of medium-pressure port size
2.2 操作参数的影响
径流式气波引射器的输出轴功与设备工作时的压力和速度息息相关，而设备的压力和速度是由压力端口的压力和转速决定的。通过数值模拟对采用弯曲通道的径流式气波引射器进行分析，对比压力和速度对输出轴功和引射性能的影响，所选取模型的流道尺寸与2.1节相同，固壁距离为6°，低压端口尺寸为26°，高压端口尺寸为15°，中压端口尺寸为23°，偏转距离为22°。
2.2.1 压缩比的影响
为了更加精确地分析压缩比对径流式气波引射器输出轴功和引射性能的影响，设置模型以3250r/min的速度运行，膨胀比固定为1.5，而压缩比在1.1~1.3以0.05逐步递增。
如图6所示，输出轴功随着压缩比的增大而增大，压缩比的增大导致低压入口流量不断减小，稳压区内流道压力降低，在进入下一周期时与高压入口气体压差增大，因此输出轴功增大。引射率在此范围内逐渐减小，而等熵效率先增大后减小。为了有效提升引射率并保证输出轴功较少，选择1.1作为优化压缩比工况。
图6 压缩比的影响 Fig.6 Effect of compression ratio
2.2.2 膨胀比的影响
为了更加精确地分析膨胀比对径流式气波引射器输出轴功及引射性能的影响，将转速固定为3250r/min，压缩比固定为1.1，而膨胀比在1.4~2.0以0.1逐步递增。
如图7所示，在此范围内输出轴功随着膨胀比的增大而增大。随着膨胀比的增大，高压进气压力一直增大，流道内产生的压差持续增大，因此输出轴功持续增大。而引射率和等熵效率在此范围内随着膨胀比的变化逐渐减小。因此，膨胀比在1.4~1.5较为合适。
图7 膨胀比的影响 Fig.7 Effect of expansion ratio
2.2.3 转速的影响
将膨胀比固定为1.5，研究不同压缩比下输出轴功和引射性能随转速变化规律，见表1。
表1 转速的影响 Tab.1 Effect of rotational speed
|转速/(r·min⁻¹)|压缩比|输出轴功/W|引射率/%|等熵效率/%|
|2150|1.10|680|87|28|
|2150|1.20|740|71|62|
|2150|1.30|735|38|57|
|2750|1.10|390|87|30|
|2750|1.20|475|73|60|
|2750|1.30|435|26|49|
|3250|1.10|438|129|66|
|3250|1.15|453|66|73|
|3250|1.20|460|35|56|
如表1所列，引射率随压缩比增大逐步减小，等熵效率随压缩比增大先增大后减小。在输出轴功方面，转速为2150r/min产生的轴功要大于其余两个转速的轴功，因为在转速小的情况下，气体对流道壁面的作用力要大于转速大的情况。而其余两个转速条件产生的轴功相差不大。转速为2150和2750r/min时，等熵效率在压缩比为1.20时出现拐点，当设备以3250r/min运行时，等熵效率在压缩比为1.15时出现拐点。综合来看，转速为3250r/min、压缩比为1.15的条件会使设备性能更优。
2.3 流道形式的影响
本节建立结构参数不同的二维模型，通过数值模拟研究对比弯曲通道和斜通道对引射性能和轴功的影响。
2.3.1 斜通道倾斜角度的影响
为了更加清晰地研究斜通道倾斜角度α对引射性能和轴功的影响，建立了5组不同倾斜角度的模型。模型的倾斜角度α在[具体范围]以[具体幅度]逐步递增，固定膨胀比为1.5，压缩比为1.1，转速为3250r/min。计算启动时所消耗轴功((P_{s}))的模型倾斜角度设置与计算输出轴功((P_{out }))的模型相同。
如图8、9所示，引射率和等熵效率在研究范围内均先增大后减小，而输出轴功逐渐减小，因为倾斜角度的增大使气体进入流道时与壁面之间的夹角减小，导致流道压力面和背压面之间的压差减小，因此输出轴功减小。对于启动时所消耗的轴功来说，其随着倾斜角度的增大而增大。启动时所消耗的轴功只存在于启动过程中，在设备运转时，消耗轴功较少。在保证设备引射性能的前提下，输出轴功较少的倾斜角度为60°。
图8 倾斜角度对引射性能的影响 Fig.8 Influence of inclination angle on ejecting performance
图9 倾斜角度对轴功的影响 Fig.9 Influence of inclination angle on shaft power
2.3.2 弯曲通道曲率的影响
径流式气波引射器的弯曲通道为斜通道的延伸。为了更加清晰地研究弯曲通道的曲率对输出轴功和引射性能的影响，建立6组不同曲率半径进行模拟计算，分别为200、250、300、350、400、450 mm。固定膨胀比为1.5，压缩比为1.1，转速为3250r/min，模型的入口倾角为40°。
如图10、11所示，引射率和等熵效率均随着曲率半径增大呈现先增大后减小的趋势，引射率和等熵效率均在曲率半径为300mm左右时出现最大值。输出轴功随着曲率半径的增大逐渐减小，曲率半径越小，流道对气体流通的阻碍作用就越大，气体对壁面的作用力就越大，因此输出轴功就越大。综合分析，对于弯曲通道而言，当曲率半径为300mm时设备性能最优。
图10 弯曲通道曲率对引射性能的影响 Fig.10 Influence of curvature of curved channel on ejecting performance
图11 弯曲通道曲率对轴功的影响 Fig.11 Influence of curvature of curved channel on shaft power
3 结语
本文通过数值模拟分析得出径流式气波引射器的轴功与结构和操作参数存在较大的关联。结果表明，对于弯曲通道，当固壁距离为6°、偏转距离为16°、中压端口尺寸为23°时设备性能最优。在操作参数方面，当膨胀比为1.5、压缩比为1.15、转速为3250r/min时设备性能较好。相比于前几项，流道形式对设备性能的影响更加显著，对于斜通道，当倾斜角度为60°时设备性能最优，对于弯曲通道，当曲率半径为300mm时设备性能较优。
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