引射器基本工作原理及其应用(1)
第16卷第4期2000年12月
北京建筑工程学院学报
JOURNA L OF BEI J I NG I NSTIT UTE OF CI VI L E NGI NEERI NG AND ARC
V ol. 16N o. 4Dec. 2000
文章编号:1004-6011(2001) 03-00012-04
引射器基本工作原理及其应用
赵静野1 孙厚钧1 高 军2
(11城建系, 北京 100044) (21土木系, 北京 100044)
Ξ
摘 要:本文通过介绍引射器的基本工作原理及其特性, ,
指出虽然对引射流场已有较精细的分析, 但由于流动的复杂, 。本文从三个方面介绍了工程中人们感兴趣的几个重要理论研究、关键词:射流技术; 引射器; 混合激波中图分类号:TP6,O358 文献标识码1 , 使不同压力的两股流体相互混合, 并引发能量交换的流体机械和混合反应设备。引射器主要由工作喷嘴、接受室、混合室及扩散室等部件组成(图1) 。进入装置前, 压力较高的流体叫做工作流体, 它以很高的速度从喷嘴流出, 进入接受室, 由于射流的紊动扩散作用, 卷吸周围的流体而发生动量交换, 被吸走的压力较低的流体叫引射流体。工作流体与引射流体在混合室内混合, 进行动量和质量交换, 在流动过程中速度渐渐均衡, 这期间常常伴随压力的升高。流体从混合室出来进入扩散室, 压力将因流动速度变缓而继续升高。在扩散室出口处, 混合流体的压力高于进入接受室时引射流体的压力。在汽—液引射器中, 混合流体的压力因水击效应甚至可以超过工作流体的压力。
不借助固体机械的压缩动作而能提高引射流体的压力, 这是引射器最主要和最根本的性质。正是由于这种性质, 引射器在工程中得到了广泛的应用[1,2]。引射器结构简单, 易于加工且成本较低。工作可靠性好, 安装维护方便。本身没有运动部件, 密封性好, 很适宜输送有毒、易爆、易燃和放射性物
Ξ收稿日期:2001-03-07
质。它除了作为流体输送机械使用外, 还可以作为
传质和化学混合反应设备。各种有压能源(废水、废气) 都可作为它的工作动力, 直接加以利用, 不需增加许多辅助设备, 因此它的综合效益很好。引射器的主要缺点是传能效率较低, 这是由于两股流体混合时产生较大能量损失的缘故。另外, 也是因没有运动部件而在运行中不易于调节
。
1—工作喷嘴;2—接受室;3—混合室;4—扩散室
图1 引射器工作原理简图
2 引射器的分类及基本方程
进入引射器混合的流体, 在工程中有的是气相, 有的是液相, 有的是气体、液体和固体的混合物, 因此, 到目前为止对引射器还没有一个统一的分类方法, 而且名称不一, 例如:引射器、喷射器、混水器, 射流器等, 但是人们常以在引射器中相互作用介质的
基金项目:本课题为北京市自然科学基金资助项目(069800602) 作者简介:赵静野(1961年-) , 男, 理学博士, 热工流体力学教研室副教授。
第3期 赵静野 孙厚钧等:引射器基本工作原理及其应用・13・
状态来分类。一般可以分为如下三类:
(1) 工作和引射介质的集态相同的引射器。(2) 工作和引射介质处于不同的集态, 它们在混合过程中集态也不改变的引射器。
(3) 介质的集态发生改变的引射器。在这类引射器里, 工作和引射流体, 在混合之前处于不同的相态, 混合后变成同一相态, 即在混合过程中其中一种流体的相态发生改变。
对于各类引射器, 虽然流体的性质和物理状态不同, 但是无一例外的可用如下三个基本定律来描述。
1) 能量守恒定律, 在引射器之前工作和引射流体的动能和在引射器之后混合流体的动能通常忽略不计。
i p +ui H =(1+u ) i c 式中
i p ———i H ———。i c ———。
u =M H /M p 称引射系数, 即引射流体的质量流
f f 1pdf ———在1—1和3—3截面之间作用于混3
合室壁面上力的冲量积分。
现在虽然也有轴对称二维的, 甚至三维的计算方法应用到引射器的设计计算中, 取得了较好结果, 但是, 目前人们一般还是采用上述一维均匀流假设下的控制方程进行计算。
3 引射器研究及应用的一些新发展
早在19世纪末期, G 1佐伊纳(Z e 2
uner ) 和M 1() , , 引射器及射。在这里仅就涉及到射流技术及引射器结构的几个方面的发展现状作一介绍。
混合激波(mixing shock ) 是发生在液气引射器中的一种物理现象(图2) 。在引射器内液体与气体之间容重相差很大, 属于两相流动, 流动比较复杂。在混合室内, 起始时气体被液流卷吸, 二者作相对运动, 这时它们均为连续介质, 液体射流表面出现脉动, 且随距离的增长, 液体质点在紊动扩散的作用下, 被离散成液滴分散在气体中, 由于它们之间的动量交换, 气体被加速和压缩, 而且因容重的差异, 在碰撞后造成气体的平均流速大于液体的平均流速, 在此范围内液体变为非连续介质, 气体仍为连续介质。气体随后被液滴粉碎为微小气泡, 液体和气体混合成均质乳状泡沫流体, 在此泡沫流体中声速为[3]
αp RT
量与工作流体的质量流量之比。
2) 质量守恒定律
M C =M p +M H
(2)
式中
M P ———工作流体的质量流量。M H ———引射流体的质量流量。M C ———混合流体的质量流量。
3) 动量定理, 假设在引射器中流动是均匀的, 那
么对于任意形状的混合室的动量定理可写成
M P W p 1+M H W H 1-(M p +M H ) W 3=p 3f 3-(p p 1f p 1+p H 1f H 1) -
f 1f 3
(3)
c =(p a +αp a ) /[αp a (ρw +) ]1/2
(4)
W p1———混合室入口截面上工作流体的速度。W H1———混合室入口截面上引射流体的速度。W 3———混合室出口截面上混合流体的速度。p p1———混合室入口截面上工作流体的静压强。p H1———混合室入口截面上引射流体的静压强。p 3———混合室出口截面上混合流体的静压强。f p1———进入混合室时工作流体的截面积。f H1———进入混合室时引射流体的截面积。f 3———混合室出口处混合流体的截面积。
式中α———气体与液体的体积比。
p a ———气体压强。
ρ——液体密度。w —
R ———气体常数。T ———气体绝对温度。
进入扩散室压力进一步升高, 在此范围内, 液体变为连续介质。而气体变为非连续介质。
在混合室内液气的混合过程中, 在一个很短的范围内发生压力的突然升高, 就象空气动力学中的
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激波一样, 因此人们称之为混合激波。不仅如此, 混
合液的流速在混合激波前是超声速, 在混合激波后是亚声速的。在这里, 要注意混合液的声速, 远低于空气中的声速和水中的声速, 一般仅为几十每秒米的量级。混合激波与激波也有一个显著的不同点, 就是引射器中的混合激波的厚度远大于空气动力学中的激波的厚度
。
重要课题。采用多级吸入的方式就是一种很好的方法, 即在一级的扩散管后再加若干级引射器, 使前一级的混合出流作为后一级的工作介质再次引射(图3) 。
王时珍在关于高效高引射系数引射器的文章中[6]指出, 其所制成之两级气体诱导器在小增压比条件下, 使效率从普通型诱导器的3～5%提高到15—20%, 能耗相应降低2/3以上。在两级引射器的设计计算中, 显然第二级的结构对第一级的特性有影响, 因此必须将两次引射过程联系在一起进行计算。引射器喷嘴、吸气口、、扩散管出。由于。, 因为实验发现再增加
, 不会带来多少益处。
1—混合激流; 2—混合流
图2 液气引射器
极大的兴趣[4], ? 在混合激波中发生了什么现象? 压力升高的机理是什么? 如何解释混合激波必伴随着熵增? 等等这些问题的讨论将对射流技术的发展有重要的意义。此外当引射器入口部分压力降低到一定程度时液体将产生汽化, 这时产生的混合激波将相当不均匀, 发生气蚀,
人们称此时的混合激波为气蚀激波(cavitation shock ) 。
图3 两级吸入式高效引射系数引射器简图
在工程上人们将液气引射器应用到水体增氧中, 制成射流曝气器。还可以与多级流控振荡器组合[5], 通过多级的放大, 可将液气引射器中形成的气水混合体调制成周期性左右往返扫射输出。由于这脉冲射流在水体中扫荡剪切, 加大了速度梯度, 使气泡尺寸更小, 从而延长气泡在水中停留的时间。而且由于轮流换向喷射, 增加水气质团交替变换接触的机率, 加快了气泡周围液体的更新速率。这两方面的因素都有利于氧转移动力效率的提高, 使射流曝气—振荡布气技术的氧转移动力效率高于现行曝气技术。
由于引射器的两股流体在引射混合时速度的巨大差异, 将产生较大的动能损失, 因此一般的引射器效率较低。尤其是在要求的引射系数较大时, 效率将大为下降, 常常降低到只有百分之几, 而且其理论计算值也大大偏离实验的结果。如何提高引射器的效率, 尤其是在大引射系数时, 这是人们关注的一个
此外, 也可采用多喷嘴射流, 脉冲射流、旋转射流等方法来提高引射器的效率。多喷嘴射流可以使工作与被引射流体在较短的喉管内得到更好的混合, 避免反向回流, 减少了喉管的摩阻损失, 改善扩散管的入口流速分布, 从而减少了扩散损失。脉冲射流兼有紊动扩散作用和活塞作用, 脉冲射流在喉管内形成液柱来推动被引射流体。旋转射流与多喷嘴射流相似增大了紊动扩散, 使工作与引射流体有更好的混合。
研究和发展包括以上方法的各种新机理新结构的引射器, 是人们的努力目标。除了研究固定的合理结构来改善流动以满足工程要求外, 还有采用可调式引射来满足工况有较大变化的需要。例如, 在供热工程中利用引射器来进行热交换是一种经济和简便的方法, 由于供热系统规模的不断扩大, 要求引射器本身的混合比也随之变化, 以满足引射器前的一次网设计流量变化的情况下, 二次网的流量基本保持不变。但是, 若引射器的喷嘴是固定的话, 就难
第3期 赵静野 孙厚钧等:引射器基本工作原理及其应用・15・
以满足工况要求。这样就使引射器这种连接方式结构简单, 运行经济的设备难以发挥有效作用。若利用可调式引射器就可以很好地解决这个问题, 调节喷针的位置就可以改变工作流体的流量, 从而达到调整混合的目的(图4)
。力较小, 使引射器具有较好的综合特性, 从而适应工程的需求。
综上所述, 引射器及其技术是一门具有非常广泛应用前途的新兴学科分支。利用这种简单可靠的设备来改进工艺流程和满足工程需要, 可以取得很大的综合经济效益。研究和开发引射器及其技术需要跨学科的联合, 提高引射器的效率仍将是一个重要的课题。参考文献:
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[5] 孙厚钧, 宋锡铭等1以流体自控振荡射流促进河道输沙水体增
1—引射水入口;2—调节喷针3—引水室;4—被引射水入口
图4 , 增加了流动阻力内。, 如图4的设计[7]就是对以往可调式引射器的一个重要改进, 调节喷针与工作流体的方向一致可以使流动阻
氧与航道浚深[C]1中国水利水电技术进展1海洋出版社,1999
[6] 王时珍1两级吸入式高效高引射系数引射器[J]1力学学报,
1980, (4)
[7] 石兆玉等1可调式水喷射泵的研制[J]1区域供热,2000, (2)
B asic Principles and Applications of Ejector
Zhao Jingye 1 Sun H oujun 1 G ao Jun 2
(11Dept. of Urban C onstruction Engineering , Beijing 100044) (21Dept. of Civil Engineering , Beijing 100044)
Abstract :The basic principles and characters of ejection are presented in this paper. Analytical method for establishing physical -mathematical m odel has been deduced. Owing to the com plexity of flow , com putation of the flow parameters is mainly based on the theory of one -dimensional uniform flow , not withstanding the research results already g ot. New trends in theoretical investigation and advances of technical applications are quoted. K ey w ords :fluidics ; ejector ; mixing shock