跨臨界CO?兩相流噴射器：數值模擬與實驗的協同探究一、引言1.1研究背景與意義1.1.1研究背景隨著全球工業化進程的加速，制冷與空調技術在人們的生產生活中扮演著日益重要的角色。傳統制冷劑如氯氟烴（CFCs）和氫氯氟烴（HCFCs）等，因其良好的熱力學性能和化學穩定性，在過去的很長一段時間內被廣泛應用于制冷系統中。然而，這些傳統制冷劑存在著嚴重的環境問題，如對臭氧層的破壞和較高的全球變暖潛能值（GWP），這使得它們成為國際社會關注的焦點。《蒙特利爾議定書》及其修正案的簽署，標志著國際社會對臭氧層保護的堅定決心，也促使各國逐步淘汰消耗臭氧層的制冷劑。同時，隨著《巴黎協定》的生效，全球對氣候變化問題的重視程度不斷提高，降低溫室氣體排放成為全球共識。在這樣的背景下，開發和應用環保型制冷劑成為制冷行業的當務之急。二氧化碳（CO?）作為一種天然的制冷劑，具有零臭氧消耗潛能值（ODP）和極低的全球變暖潛能值（GWP=1），且無毒、不可燃，化學性質穩定，在制冷領域展現出巨大的潛力。CO?的臨界溫度為31.1℃，臨界壓力為7.38MPa，在跨臨界循環中，CO?制冷劑在高壓側不經歷相變，而是以氣體狀態存在，通過顯熱傳遞向外部排熱，這種獨特的熱力學特性使得跨臨界CO?制冷系統在環保性能和安全性方面具有顯著優勢。目前，跨臨界CO?制冷系統已在汽車空調、熱泵熱水器、商用制冷等領域得到了一定程度的應用，并且展現出良好的性能和發展前景。在跨臨界CO?制冷系統中，噴射器作為一個關鍵部件，對于提高系統性能起著至關重要的作用。噴射器是一種基于動量交換原理的設備，它通過高壓工作流體的高速噴射，引射低壓流體，并在混合腔中進行能量交換和混合，從而實現對低壓流體的升壓。在跨臨界CO?制冷系統中，噴射器主要用于回收膨脹功，減少節流損失，進而提高系統的性能系數（COP）。與傳統的節流裝置相比，噴射器具有結構簡單、無運動部件、可靠性高、成本低等優點，因此受到了廣泛的關注和研究。盡管跨臨界CO?制冷系統和噴射器技術在近年來取得了一定的進展，但仍面臨著一些挑戰和問題。例如，跨臨界CO?制冷系統的運行壓力較高，對系統及部件的設計、制造和安裝要求嚴格，增加了設備成本和技術難度；噴射器內部的流動過程非常復雜，涉及到高速流動、激波、相變等多種物理現象，目前對其內部流動機制的理解還不夠深入，導致噴射器的性能優化和設計方法仍有待進一步完善。此外，跨臨界CO?兩相流噴射器的實驗研究相對較少，實驗數據的缺乏也限制了理論模型和數值模擬的驗證和改進。因此，深入開展跨臨界CO?兩相流噴射器的數值模擬和實驗研究，對于揭示其內部流動規律，優化噴射器性能，推動跨臨界CO?制冷系統的發展具有重要的理論和實際意義。1.1.2研究意義本研究對跨臨界CO?兩相流噴射器進行數值模擬和實驗研究，具有重要的理論意義和實際應用價值。在理論方面，跨臨界CO?兩相流噴射器內部的流動過程極其復雜，涉及到多種物理現象的相互作用，目前對其內部流動機制的認識還存在許多不足。通過數值模擬和實驗研究相結合的方法，可以深入探究噴射器內部的流動機理，建立更加準確的數學模型和物理模型，為噴射器的優化設計和性能預測提供堅實的理論基礎。這不僅有助于豐富和完善噴射器的理論體系，還能夠為跨臨界CO?制冷系統的整體性能優化提供有力的支持，推動制冷學科的發展。從實際應用角度來看，跨臨界CO?制冷系統在環保和安全性能方面具有顯著優勢，是未來制冷技術發展的重要方向之一。然而，目前該系統的能效相對較低，限制了其大規模推廣應用。噴射器作為提高跨臨界CO?制冷系統性能的關鍵部件，通過對其進行深入研究和優化，可以有效回收膨脹功，減少節流損失，提高系統的COP，降低能耗。這將有助于提高跨臨界CO?制冷系統的競爭力，推動其在汽車空調、熱泵熱水器、商用制冷等領域的廣泛應用，為實現節能減排和可持續發展目標做出貢獻。此外，本研究的成果還可以為噴射器的工程設計和制造提供參考依據，促進相關產業的技術升級和發展。1.2跨臨界CO?兩相流噴射器研究現狀跨臨界CO?兩相流噴射器作為跨臨界CO?制冷系統中的關鍵部件，其性能直接影響著整個系統的效率和運行穩定性。近年來，隨著環保意識的增強和對可持續發展的追求，跨臨界CO?制冷技術受到了廣泛關注，噴射器的研究也取得了顯著進展。國內外學者主要從數值模擬和實驗研究兩個方面對跨臨界CO?兩相流噴射器展開了深入探索。在數值模擬方面，研究人員運用計算流體力學（CFD）軟件，對噴射器內部的復雜流動現象進行了模擬分析。通過建立合適的數學模型和物理模型，如采用Realizablek-ε湍流模型、考慮氣液兩相間的相互作用等，能夠較為準確地預測噴射器的性能參數，如引射系數、升壓比等。例如，[具體學者姓名1]利用CFD軟件對跨臨界CO?噴射器進行了三維數值模擬，研究了不同結構參數和運行工況對噴射器性能的影響，結果表明噴嘴直徑與混合室直徑之比、混合室長度等結構參數對引射系數和升壓比有顯著影響，在一定范圍內，適當增大噴嘴直徑與混合室直徑之比可以提高引射系數，但會降低升壓比；而混合室長度的增加則會使升壓比先增大后減小，存在一個最佳長度使得噴射器性能最優。[具體學者姓名2]通過數值模擬研究了噴射器內部的激波現象，發現激波的位置和強度與噴射器的結構參數和運行工況密切相關，激波的存在會導致流動損失增加，降低噴射器的性能，合理設計噴射器結構可以有效減弱激波的影響，提高噴射器效率。在實驗研究方面，學者們搭建了各種跨臨界CO?噴射器實驗臺，對噴射器的性能進行了實驗測試。通過改變實驗條件，如工作流體壓力、溫度，引射流體壓力、溫度等，測量噴射器的引射系數、升壓比、制冷量等性能參數，為理論研究和數值模擬提供了重要的實驗數據支持。[具體學者姓名3]搭建了一套跨臨界CO?噴射器實驗裝置，研究了不同工況下噴射器的性能，實驗結果表明，隨著工作流體壓力的增加，引射系數和升壓比均增大，但當工作流體壓力超過一定值后，引射系數的增長趨勢逐漸變緩；而蒸發溫度的升高會使引射系數增大，同時制冷量也相應增加。[具體學者姓名4]通過實驗研究了噴射器在不同充注量下的性能，發現充注量對噴射器的性能有較大影響，存在一個最佳充注量使得系統的性能系數（COP）達到最大值，充注量過少或過多都會導致COP下降。盡管跨臨界CO?兩相流噴射器的研究取得了一定成果，但目前仍存在一些不足和待解決的問題。在數值模擬方面，雖然CFD技術能夠對噴射器內部流動進行模擬，但由于噴射器內部涉及高速流動、激波、相變等復雜物理現象，現有的模型和算法還不能完全準確地描述這些過程，模擬結果與實驗數據之間存在一定偏差。此外，不同的數值模型和參數設置對模擬結果的影響較大，缺乏統一的標準和驗證方法，導致模擬結果的可靠性和可比性有待提高。在實驗研究方面，實驗設備和測試技術的限制使得一些關鍵參數的測量存在一定誤差，如噴射器內部的壓力分布、速度分布等難以精確測量；而且實驗研究往往受到實驗條件的限制，難以全面研究各種工況和參數對噴射器性能的影響，實驗數據的積累還不夠豐富。在噴射器的設計和優化方面，目前還缺乏一套系統、完善的設計理論和方法，主要依靠經驗和試錯法進行設計，導致噴射器的性能優化空間有限，難以滿足實際工程應用的需求。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究圍繞跨臨界CO?兩相流噴射器展開，主要研究內容包括以下幾個方面：噴射器數學模型建立：深入分析噴射器內部的復雜流動現象，綜合考慮高速流動、激波、相變以及氣液兩相間的相互作用等因素，基于質量守恒、動量守恒和能量守恒定律，建立精確的跨臨界CO?兩相流噴射器數學模型。對模型中的關鍵參數，如噴嘴直徑、混合室長度、擴張角等結構參數，以及工作流體壓力、溫度，引射流體壓力、溫度等運行參數進行詳細的定義和分析，為后續的數值模擬和性能優化提供堅實的理論基礎。噴射器數值模擬：運用計算流體力學（CFD）軟件，如ANSYSFluent、CFX等，對所建立的跨臨界CO?兩相流噴射器數學模型進行數值求解。通過設置合理的邊界條件和初始條件，模擬噴射器內部的流場分布，包括速度場、壓力場、溫度場等，以及氣液兩相的分布情況。研究不同結構參數和運行工況對噴射器性能的影響規律，如引射系數、升壓比、混合效率等性能參數隨噴嘴直徑與混合室直徑之比、混合室長度、工作流體壓力等參數的變化關系，找出噴射器的最佳結構參數和運行工況組合，為噴射器的優化設計提供數據支持。噴射器實驗搭建與測試：搭建跨臨界CO?兩相流噴射器實驗臺，實驗臺主要包括CO?制冷循環系統、噴射器測試系統以及數據采集與控制系統等部分。CO?制冷循環系統用于提供穩定的工作流體和引射流體，噴射器測試系統用于安裝和測試噴射器，數據采集與控制系統用于測量和記錄實驗過程中的各種參數，如壓力、溫度、流量等。采用高精度的傳感器和測量設備，確保實驗數據的準確性和可靠性。在不同的工況下對噴射器的性能進行實驗測試，改變工作流體壓力、溫度，引射流體壓力、溫度等實驗條件，測量噴射器的引射系數、升壓比、制冷量等性能參數，并與數值模擬結果進行對比分析，驗證數值模擬的準確性和可靠性。結果對比與分析：將數值模擬結果與實驗測試結果進行詳細的對比分析，研究兩者之間的差異及其原因。針對模擬結果與實驗數據之間存在的偏差，對數學模型和數值模擬方法進行改進和優化，提高模擬結果的準確性和可靠性。通過對比分析，深入探討噴射器內部的流動機理和性能影響因素，為噴射器的設計、優化和性能提升提供有針對性的建議和措施。1.3.2研究方法本研究采用理論分析、數值模擬和實驗研究相結合的方法，對跨臨界CO?兩相流噴射器進行全面深入的研究。理論分析：基于熱力學、流體力學等相關理論，對跨臨界CO?制冷循環和噴射器的工作原理進行深入剖析。建立噴射器內部流動的數學模型，推導相關的數學方程，分析噴射器的性能參數與結構參數、運行工況之間的內在關系。通過理論分析，明確噴射器的工作特性和性能影響因素，為數值模擬和實驗研究提供理論指導。數值模擬：利用計算流體力學（CFD）軟件，對噴射器內部的復雜流動進行數值模擬。通過建立幾何模型、劃分網格、設置邊界條件和求解控制方程等步驟，得到噴射器內部的流場信息和性能參數。數值模擬能夠直觀地展示噴射器內部的流動細節，如激波的位置和強度、氣液兩相的分布和混合情況等，為研究噴射器的性能提供了有力的工具。同時，通過數值模擬可以快速地研究不同參數對噴射器性能的影響，節省實驗成本和時間。實驗研究：搭建跨臨界CO?兩相流噴射器實驗臺，進行實驗測試。實驗研究可以直接獲取噴射器在實際運行條件下的性能數據，驗證理論分析和數值模擬的結果。通過實驗研究，還可以發現一些在理論分析和數值模擬中未考慮到的因素，為進一步完善理論模型和數值模擬方法提供依據。此外，實驗研究還可以為噴射器的工程應用提供實際的數據支持和技術參考。通過理論分析、數值模擬和實驗研究的有機結合，本研究將全面深入地揭示跨臨界CO?兩相流噴射器的內部流動機理和性能影響因素，為噴射器的優化設計和性能提升提供科學依據和技術支持，推動跨臨界CO?制冷技術的發展和應用。二、跨臨界CO?兩相流噴射器工作原理與理論基礎2.1跨臨界CO?制冷系統概述跨臨界CO?制冷系統是以二氧化碳（CO?）作為制冷劑，基于CO?在跨臨界狀態下獨特的熱力學特性來實現制冷的系統。CO?的臨界溫度為31.1℃，臨界壓力為7.38MPa。在跨臨界制冷循環中，CO?的狀態變化過程有著與傳統制冷系統不同的特點。該系統主要由壓縮機、氣體冷卻器、節流裝置、蒸發器以及連接管道等部件構成。在運行過程中，CO?首先以低溫低壓的氣體狀態進入壓縮機。在壓縮機內，CO?氣體被絕熱壓縮，壓力和溫度急劇升高，轉變為高溫高壓的超臨界CO?流體。這一過程中，壓縮機消耗電能，對CO?做功，使其能量提升。隨后，高溫高壓的超臨界CO?流體進入氣體冷卻器。在氣體冷卻器內，CO?與外部冷卻介質（如水或空氣）進行熱交換，通過顯熱傳遞的方式將熱量釋放給冷卻介質，自身溫度逐漸降低，但仍保持超臨界狀態。與傳統制冷系統在高壓側的相變冷凝不同，跨臨界CO?制冷系統在高壓側CO?不發生相變，僅通過顯熱來實現熱量的排出。接著，經過冷卻的超臨界CO?流體通過節流裝置（如節流閥或膨脹機）進行絕熱膨脹。在這一過程中，CO?的壓力和溫度迅速下降，部分CO?流體轉變為低溫低壓的兩相混合物。最后，低溫低壓的CO?兩相混合物進入蒸發器。在蒸發器內，CO?吸收外部被冷卻物體或空間的熱量，其中的液態CO?蒸發為氣體，從而實現制冷效果。蒸發后的CO?氣體再次回到壓縮機，開始新的循環。與傳統制冷系統相比，跨臨界CO?制冷系統具有諸多顯著優勢。在環保性能方面，CO?是一種自然存在的氣體，其臭氧消耗潛能值（ODP）為0，全球變暖潛能值（GWP）極低，僅為1，不會對臭氧層造成破壞，也不會加劇全球變暖，符合當前嚴格的環保要求。在安全性能上，CO?無毒、不可燃，在使用過程中不存在如氨、R290等制冷劑的燃燒、爆炸風險，也不會對人體健康造成危害，使用安全可靠。從傳熱性能來看，在超臨界狀態下，CO?具有獨特的熱物理性質，其密度大、粘度低，流動損失小，傳熱系數高，能夠實現高效的熱量傳遞，有效提高制冷系統的換熱效率。此外，CO?的臨界溫度和壓力使其適用溫度范圍廣，既可以在低溫環境下制取低溫冷量，也能在熱泵應用中產生溫度較高的熱水，從零下幾十度到零上近百度的溫度范圍內，能夠使用單一工質。同時，CO?跨臨界制冷循環的壓縮比較小，約為2-4，壓縮過程更接近等熵過程，有利于提高壓縮機的指示效率，降低壓縮機的能耗。然而，跨臨界CO?制冷系統也存在一些局限性。系統運行壓力高是其面臨的主要問題之一，CO?的臨界壓力較高，導致其制冷系統的運行壓力比傳統的制冷空調系統高得多，約為傳統制冷劑的6-8倍。這對系統及部件的設計、管材的耐壓性能等提出了很高的要求，增加了設備成本和制造難度，同時也提高了系統運行的安全風險。此外，CO?跨臨界制冷循環的高壓側和低壓側之間的壓差很大，制冷劑經過節流裝置時的動能損失增大，壓力下降幅度大，會產生兩部分損失：一是節流的不可逆過程導致有效制冷量降低；二是損失了膨脹功，增加了壓縮機的能耗。在部分工況下，CO?跨臨界制冷循環的能效相對較低，其單級壓縮跨臨界循環的性能系數可能不如傳統制冷劑的制冷循環，即使采用雙級壓縮回熱循環等優化措施，也需要進一步提高能效以與傳統制冷技術競爭。而且，由于系統壓力高、流程復雜，對設備操作人員和維護人員的技術水平要求很高，需要專業的技術人員進行安裝、調試和維護，增加了技術難度和人力成本。2.2噴射器工作原理2.2.1基本結構噴射器作為跨臨界CO?制冷系統中的關鍵部件，其基本結構主要由噴嘴、混合室、擴壓室以及接受室等部分組成，具體結構如圖1所示。[此處插入噴射器結構示意圖]圖1噴射器結構示意圖噴嘴是噴射器的關鍵部件之一，其作用是將高壓的工作流體（高溫高壓的CO?）加速，使其獲得較高的動能。噴嘴的形狀和尺寸對工作流體的噴射速度和噴射角度有著重要影響。常見的噴嘴形狀有漸縮型、漸擴型和縮放型（拉瓦爾噴嘴）等。在跨臨界CO?噴射器中，由于工作流體的壓力較高，通常采用縮放型噴嘴，以實現超音速噴射，提高引射能力。縮放型噴嘴先通過漸縮段將流體加速至音速，再通過漸擴段進一步加速至超音速，使工作流體在噴嘴出口處獲得極高的速度，形成高速射流。接受室位于噴嘴的下游，主要用于接收引射流體（低溫低壓的CO?），并引導其與工作流體在混合室中混合。接受室的結構設計需要保證引射流體能夠順利地被吸入，并且與工作流體充分接觸，為后續的混合過程創造良好的條件。接受室的尺寸和形狀會影響引射流體的吸入量和吸入速度，進而影響噴射器的引射性能。如果接受室的尺寸過小，可能會導致引射流體吸入不暢，降低引射系數；而如果接受室尺寸過大，會增加流動阻力，影響噴射器的整體性能。混合室是工作流體與引射流體進行混合和能量交換的區域。在混合室內，高速的工作流體與低速的引射流體相互作用，通過動量傳遞和質量擴散，使兩者的速度和壓力逐漸趨于均勻。混合室的長度和直徑對混合效果和噴射器性能有著顯著影響。較長的混合室可以使工作流體和引射流體有更充分的時間進行混合，提高混合效率，但過長的混合室會增加流動阻力，降低噴射器的性能。混合室直徑的選擇也需要綜合考慮工作流體和引射流體的流量、速度等因素，合適的直徑能夠保證兩種流體在混合室內充分混合，同時避免出現過大的流動損失。擴壓室位于混合室的下游，其作用是將混合流體的動能轉化為壓力能，使混合流體的壓力升高，達到排出或輸送的要求。擴壓室通常采用漸擴的形狀，隨著混合流體在擴壓室內流動，其速度逐漸降低，壓力逐漸升高。擴壓室的擴張角是影響擴壓性能的重要參數之一。如果擴張角過小，擴壓效果不明顯，混合流體的壓力提升有限；而擴張角過大，會導致混合流體在擴壓室內產生分離現象，增加流動損失，降低擴壓效率。一般來說，擴壓室的擴張角在一定范圍內（如5°-10°）可以獲得較好的擴壓性能。這些部件相互配合，共同決定了噴射器的性能。噴嘴將高壓CO?流體加速，為引射和混合過程提供動力；接受室引導引射流體進入混合室；混合室實現兩種流體的充分混合和能量交換；擴壓室則將混合流體的動能轉化為壓力能，完成噴射器的升壓過程。任何一個部件的結構參數發生變化，都可能對噴射器的性能產生顯著影響，如引射系數、升壓比、混合效率等。因此，在設計和優化噴射器時，需要綜合考慮各個部件的結構特點和相互作用，以實現噴射器性能的最優化。2.2.2工作過程跨臨界CO?兩相流噴射器的工作過程是一個復雜的流體動力學過程，主要包括膨脹、引射、混合和擴壓四個階段。在膨脹階段，高溫高壓的CO?作為工作流體，從噴射器的入口進入噴嘴。由于噴嘴的特殊結構，通常為縮放型（拉瓦爾噴嘴），工作流體在噴嘴內經歷等熵膨脹過程。在這個過程中，工作流體的壓力和溫度急劇下降，而速度迅速增加。根據伯努利方程，流體的壓力能逐漸轉化為動能。當工作流體通過噴嘴的喉部時，其速度達到音速；繼續在漸擴段流動，速度進一步增加至超音速。在跨臨界CO?制冷系統中，工作流體的壓力通常在10MPa左右，經過噴嘴膨脹后，壓力可降至較低水平，同時速度可達到幾百米每秒甚至更高。例如，在一些研究中，工作流體在噴嘴出口處的馬赫數可達到2-3，這表明其速度遠超過當地音速。隨著工作流體以高速從噴嘴噴出，在噴嘴出口附近形成一個低壓區域，引射階段隨之開始。在接受室內，處于低溫低壓狀態的引射流體（CO?）受到這個低壓區域的吸引，被吸入噴射器。引射流體與工作流體之間存在著較大的速度差和壓力差，這種差異為后續的混合過程提供了動力。引射流體的吸入量和吸入速度與工作流體的噴射速度、噴嘴出口的低壓程度以及接受室的結構等因素密切相關。一般來說，工作流體的噴射速度越高，噴嘴出口的低壓區域越大，引射流體的吸入量就越多，噴射器的引射系數也就越大。引射流體被吸入后，與高速的工作流體在混合室內相遇，進入混合階段。在混合室內，兩種流體通過動量傳遞和質量擴散進行能量交換。高速的工作流體將自身的部分動能傳遞給低速的引射流體，使引射流體的速度逐漸增加，同時工作流體的速度逐漸降低。在這個過程中，兩種流體的壓力和溫度也逐漸趨于均勻。混合過程的效率直接影響噴射器的性能，如果混合不充分，會導致混合流體的能量分布不均勻，降低噴射器的升壓能力和整體性能。為了提高混合效率，混合室的結構設計需要保證兩種流體能夠充分接觸和混合，例如可以通過設置合適的混合室長度、直徑以及內部結構（如擾流元件）等來促進混合。經過混合后的流體進入擴壓室，開始擴壓階段。擴壓室的形狀為漸擴型，隨著混合流體在擴壓室內流動，其速度逐漸降低。根據伯努利方程，動能逐漸轉化為壓力能，混合流體的壓力逐漸升高。在擴壓過程中，流體的速度和壓力變化受到擴壓室的擴張角、長度以及流體的流動特性等因素的影響。如果擴壓室的擴張角過大，會導致流體在擴壓室內產生分離現象，增加流動損失，降低擴壓效率；而擴張角過小，擴壓效果不明顯，混合流體的壓力提升有限。一般來說，合適的擴張角在5°-10°之間，可以使混合流體在擴壓室內實現較為高效的動能-壓力能轉換，從而使混合流體在擴壓室出口處達到所需的壓力，滿足系統的工作要求。2.2.3工作原理噴射器的工作原理基于流體的壓力能和動能相互轉化以及動量守恒定律。在跨臨界CO?制冷系統中，噴射器的主要作用是回收膨脹功，減少節流損失，提高系統的性能。在傳統的節流裝置（如節流閥）中，高壓的CO?制冷劑直接通過節流閥進行節流膨脹，這是一個不可逆的過程，會導致大量的膨脹功損失，使制冷劑的能量降低，從而降低了制冷系統的性能。而噴射器通過巧妙的結構設計，實現了膨脹功的回收。如前文所述，在噴射器的工作過程中，高溫高壓的CO?工作流體首先在噴嘴內進行等熵膨脹，壓力能轉化為動能，工作流體獲得高速。這部分高速動能是由工作流體的膨脹功轉化而來的。在引射階段，高速的工作流體利用其動能產生的抽吸作用，將低溫低壓的引射流體吸入噴射器。在混合室內，工作流體和引射流體進行能量交換，工作流體將部分動能傳遞給引射流體，使引射流體的速度增加。這個過程中，工作流體的動能并沒有被浪費，而是有效地用于提升引射流體的能量。在擴壓階段，混合流體在擴壓室內速度降低，動能又重新轉化為壓力能，使混合流體的壓力升高。通過這種方式，噴射器實現了對膨脹功的回收和再利用。原本在節流過程中損失的膨脹功，通過噴射器的作用，被轉化為引射流體的壓力能，提高了制冷劑的能量水平，減少了系統的節流損失，從而提高了跨臨界CO?制冷系統的性能。從動量守恒的角度來看，在混合室內，工作流體和引射流體的總動量保持不變。高速的工作流體具有較大的動量，在與引射流體混合時，根據動量守恒定律，工作流體的動量傳遞給引射流體，使得引射流體的速度增加，同時工作流體的速度降低，兩者的速度最終趨于一致。這種動量的傳遞和交換是噴射器實現工作的重要物理機制之一。噴射器利用壓力能和動能的轉化以及動量守恒定律，有效地回收了膨脹功，為跨臨界CO?制冷系統的性能提升提供了關鍵支持。2.3相關理論基礎跨臨界CO?物性參數特點及在噴射器研究中的應用，以及兩相流理論及在噴射器內的表現，是深入理解跨臨界CO?兩相流噴射器工作機制的理論根基，為后續的數值模擬和實驗研究提供了不可或缺的理論支撐。CO?在跨臨界狀態下，其物性參數如密度、粘度、比熱、導熱系數等與常規狀態相比呈現出獨特的變化規律。在超臨界區，CO?的密度對壓力變化極為敏感，壓力的微小改變會引發密度的顯著波動，這種特性在噴射器的工作過程中影響著流體的流動特性和能量交換效率。例如，在噴嘴內的膨脹過程中，隨著壓力降低，CO?密度急劇減小，速度迅速增加，從而實現壓力能向動能的高效轉化，為引射和混合過程提供強大的動力。在混合室和擴壓室內，密度的變化又會影響流體的混合均勻性和壓力恢復效果。CO?的粘度在跨臨界狀態下相對較低，這使得流體在噴射器內部流動時的摩擦阻力減小，能量損失降低，有利于提高噴射器的性能。而其比熱和導熱系數在臨界區域附近會出現峰值變化，這對噴射器內的熱交換過程有著重要影響，在氣體冷卻器和蒸發器等部件中，需要充分考慮這些物性參數的變化，以優化熱交換效率。在噴射器的研究中，這些物性參數是建立數學模型和進行數值模擬的關鍵輸入參數。準確掌握CO?在不同工況下的物性參數，能夠更精確地描述噴射器內部的流動和能量轉換過程，從而為噴射器的設計和優化提供可靠依據。在建立噴射器的數學模型時，需要根據CO?的物性參數來確定狀態方程，以準確計算流體的壓力、溫度、密度等參數之間的關系。在數值模擬中，選擇合適的物性參數模型可以提高模擬結果的準確性和可靠性，如Peng-Robinson狀態方程在描述CO?的物性方面具有較高的精度，被廣泛應用于跨臨界CO?噴射器的數值模擬中。兩相流理論是研究跨臨界CO?兩相流噴射器的另一個重要理論基礎。在噴射器內部，CO?常常處于氣液兩相共存的狀態，涉及到復雜的氣液兩相間的相互作用。相間的質量傳遞、動量傳遞和能量傳遞是兩相流理論的核心內容。在噴射器的工作過程中，氣液兩相間的質量傳遞主要表現為蒸發和冷凝現象。在蒸發器中，液態CO?吸收熱量蒸發為氣態，而在氣體冷卻器中，氣態CO?釋放熱量冷凝為液態。這種質量傳遞過程不僅影響著制冷劑的狀態變化，還與噴射器的性能密切相關。例如，蒸發過程中產生的大量氣態CO?可以增加引射流體的流量，提高噴射器的引射系數；而冷凝過程則可以使混合流體的溫度降低，有利于提高擴壓效率。動量傳遞在氣液兩相流中表現為相間的摩擦力和曳力。氣相和液相之間的速度差會導致相間產生摩擦力，這種摩擦力會影響兩相的流動速度和壓力分布。在混合室內，高速的氣相與低速的液相相互作用，通過動量傳遞使液相的速度逐漸增加，氣相的速度逐漸降低，從而實現兩相的混合和能量交換。動量傳遞還會影響噴射器內的激波現象，激波的產生和傳播與氣液兩相間的動量傳遞密切相關。能量傳遞則包括顯熱傳遞和潛熱傳遞。顯熱傳遞是由于氣液兩相的溫度差引起的熱量傳遞，而潛熱傳遞則是與相變過程相關的熱量傳遞。在噴射器內，能量傳遞過程與質量傳遞和動量傳遞相互耦合，共同影響著噴射器的性能。在氣體冷卻器中，CO?通過顯熱傳遞將熱量釋放給冷卻介質，同時在冷凝過程中通過潛熱傳遞釋放大量的熱量。這些熱量的傳遞會影響CO?的溫度和壓力，進而影響噴射器的工作狀態。在噴射器內，氣液兩相的分布和流動形態對噴射器性能有著顯著影響。常見的氣液兩相流型有泡狀流、彈狀流、環狀流和霧狀流等。不同的流型具有不同的流動特性和傳熱傳質性能。在泡狀流中，氣相以氣泡的形式分散在液相中，這種流型的傳熱系數較高，但相間的動量傳遞相對較弱；而在環狀流中，液相在壁面形成一層液膜，氣相在中心流動，這種流型的動量傳遞較強，但傳熱系數相對較低。噴射器內的流型會隨著工況的變化而發生轉變，如在不同的壓力、溫度和流量條件下，氣液兩相的分布和流型會有所不同。了解噴射器內的氣液兩相流型及其變化規律，對于優化噴射器的性能具有重要意義。通過合理設計噴射器的結構和運行工況，可以使氣液兩相在噴射器內形成有利于混合和能量交換的流型，從而提高噴射器的引射系數、升壓比和混合效率等性能參數。三、跨臨界CO?兩相流噴射器數值模擬3.1數值模擬方法選擇在跨臨界CO?兩相流噴射器的研究中，數值模擬方法是深入探究其內部復雜流動特性和性能的重要手段。目前，常見的數值模擬方法包括解析法、經驗公式法和計算流體力學（CFD）方法。解析法基于理論推導，通過建立精確的數學模型來求解物理問題。在噴射器的研究中，解析法可用于推導一些簡單情況下的流動方程，如等熵流、一維流動等。然而，由于噴射器內部流動涉及高速、多相、復雜幾何結構以及激波等現象，使得精確的解析解難以獲得。例如，在考慮氣液兩相間的相互作用以及噴射器復雜的幾何形狀時，解析法的數學模型會變得極為復雜，甚至無法求解，因此其應用范圍受到較大限制。經驗公式法是基于大量實驗數據，通過擬合和經驗總結得出的一些關系式，用于預測噴射器的性能參數。這種方法在一定程度上能夠快速估算噴射器的性能，具有計算簡便的優點。但經驗公式往往是在特定的實驗條件下得到的，其適用范圍有限，缺乏通用性。當工況或噴射器結構發生較大變化時，經驗公式的準確性會顯著下降。而且，經驗公式無法深入揭示噴射器內部的流動機理，對于理解復雜的物理現象幫助有限。CFD方法是近年來在流體力學研究中廣泛應用的一種數值模擬技術。它基于計算流體力學的基本原理，通過對控制方程（如連續性方程、動量方程、能量方程等）進行離散化處理，利用計算機求解這些離散方程，從而獲得流場的詳細信息。與解析法和經驗公式法相比，CFD方法具有諸多優勢。CFD方法能夠處理復雜的幾何形狀和邊界條件。噴射器的結構復雜，包含噴嘴、混合室、擴壓室等多個部件，且各部件的形狀和尺寸對噴射器性能有著重要影響。CFD方法可以精確地構建噴射器的三維幾何模型，并根據實際情況設置各種邊界條件，如進口壓力、溫度、速度，出口壓力等，從而準確地模擬噴射器內部的流動情況。在模擬縮放型噴嘴時，CFD方法能夠準確地捕捉到流體在噴嘴內的加速過程，以及在噴嘴出口處形成的超音速射流，這是解析法和經驗公式法難以做到的。CFD方法可以考慮多種物理現象的相互作用。在跨臨界CO?兩相流噴射器中，涉及到氣液兩相間的質量傳遞、動量傳遞和能量傳遞，以及激波、相變等復雜物理現象。CFD方法通過選擇合適的多相流模型（如歐拉-歐拉模型、歐拉-拉格朗日模型等）和湍流模型（如Realizablek-ε模型、k-ωSST模型等），能夠綜合考慮這些物理現象，全面地揭示噴射器內部的流動機制。例如，利用歐拉-歐拉模型可以準確地描述氣液兩相在混合室內的混合過程，以及相間的相互作用；而通過選擇合適的相變模型，如VOP相變模型、歐拉相變模型等，可以有效地模擬CO?在噴射器內的相變過程。CFD方法還具有成本低、效率高的優點。相比于實驗研究，CFD模擬不需要搭建實際的實驗裝置，也不需要消耗大量的實驗材料和能源，只需要在計算機上進行模擬計算，就可以快速地獲得不同工況下噴射器的性能參數。通過CFD模擬可以在短時間內研究多個參數對噴射器性能的影響，為噴射器的優化設計提供大量的數據支持，節省了實驗成本和時間。綜上所述，由于CFD方法在處理復雜幾何形狀、考慮多種物理現象以及成本效率等方面具有顯著優勢，能夠更全面、深入地揭示跨臨界CO?兩相流噴射器內部的流動特性和性能，因此本研究選擇CFD方法對跨臨界CO?兩相流噴射器進行數值模擬。3.2數學模型建立3.2.1控制方程跨臨界CO?兩相流噴射器內部的流動過程涉及到復雜的物理現象，需要基于基本的守恒定律來建立控制方程，以準確描述其流動特性。質量守恒方程是描述流體在噴射器內流動時質量變化的基本方程。對于穩態的三維流動，其表達式為：\frac{\partial(\rhou_i)}{\partialx_i}=0其中，\rho是流體的密度，u_i是速度矢量在i方向（i=x,y,z）上的分量，x_i是空間坐標。該方程表明在噴射器內任意微元體中，單位時間內流入和流出的質量相等，質量不會憑空產生或消失。在噴射器的噴嘴、混合室和擴壓室等不同區域，流體的密度和速度會發生變化，但通過質量守恒方程可以保證整個流場的質量平衡。動量守恒方程則描述了流體在力的作用下動量的變化情況。在慣性坐標系下，其一般形式為：\frac{\partial(\rhou_iu_j)}{\partialx_j}=-\frac{\partialp}{\partialx_i}+\frac{\partial\tau_{ij}}{\partialx_j}+\rhog_i其中，p是流體的壓力，\tau_{ij}是應力張量，g_i是重力加速度在i方向上的分量。方程左邊表示單位時間內通過單位面積的動量通量的變化，右邊第一項表示壓力梯度力，第二項表示粘性力，第三項表示重力。在噴射器內部，高速流動的CO?流體在不同部件中會受到各種力的作用，如在噴嘴內，流體由于壓力差而加速，動量增加；在混合室內，工作流體和引射流體之間的相互作用會導致動量的交換和傳遞，通過動量守恒方程可以準確地描述這些過程。能量守恒方程用于描述流體在流動過程中的能量變化，包括內能、動能和勢能等。對于包含熱傳導和粘性耗散的流體流動，能量守恒方程可表示為：\frac{\partial(\rhoh_tu_i)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}\left(k\frac{\partialT}{\partialx_j}\right)+\frac{\partial}{\partialx_j}\left(u_i\tau_{ij}\right)其中，h_t是總焓，h_t=h+\frac{1}{2}u_iu_i，h是比焓，k是熱導率，T是溫度。方程左邊表示單位時間內通過單位面積的總焓通量的變化，右邊第一項表示熱傳導引起的能量傳遞，第二項表示粘性耗散產生的能量損失。在跨臨界CO?噴射器中，由于CO?的物性參數隨溫度和壓力變化顯著，能量守恒方程對于準確描述流體的溫度變化、相變過程以及能量轉換具有重要意義。在氣體冷卻器和蒸發器等部件中，CO?與外界的熱交換以及內部的能量傳遞都需要通過能量守恒方程來進行分析和計算。為了更準確地描述噴射器內的湍流流動，選擇合適的湍流模型至關重要。Realizablek-ε模型是一種常用的湍流模型，它在標準k-ε模型的基礎上進行了改進，能夠更好地預測復雜流動中的湍流特性。該模型引入了新的湍流粘性系數表達式和耗散率方程，使其在處理強旋流、分離流等復雜流動時具有更高的精度。在跨臨界CO?噴射器中，流體的高速流動和復雜的幾何結構容易導致湍流的產生，Realizablek-ε模型能夠有效地捕捉這些湍流現象，為數值模擬提供更準確的結果。其湍動能k和耗散率\varepsilon的輸運方程分別為：\frac{\partial(\rhok)}{\partialt}+\frac{\partial(\rhoku_i)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}\left(\frac{\mu_t}{\sigma_k}\frac{\partialk}{\partialx_j}\right)+G_k-\rho\varepsilon\frac{\partial(\rho\varepsilon)}{\partialt}+\frac{\partial(\rho\varepsilonu_i)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}\left(\frac{\mu_t}{\sigma_{\varepsilon}}\frac{\partial\varepsilon}{\partialx_j}\right)+\rhoC_1S\varepsilon-\rhoC_2\frac{\varepsilon^2}{k+\sqrt{\nu\varepsilon}}其中，\mu_t是湍流粘性系數，\sigma_k和\sigma_{\varepsilon}分別是k和\varepsilon的湍流普朗特數，G_k是由平均速度梯度產生的湍動能，C_1和C_2是模型常數，S是平均應變率張量的第二不變量，\nu是運動粘度。這些方程描述了湍動能和耗散率在流場中的輸運過程，通過求解它們可以得到噴射器內湍流的特性參數，進而計算出湍流對流動和傳熱的影響。3.2.2相變模型在跨臨界CO?兩相流噴射器中，CO?的相變過程對噴射器的性能有著重要影響，因此需要選擇合適的相變模型來準確描述這一過程。VOP（VolumeofFluidPhase-change）相變模型是一種常用于模擬氣液兩相流相變的模型，它基于體積分數的概念來描述不同相的分布和變化。在該模型中，通過求解各相的體積分數方程來追蹤氣液界面的位置和形態。對于CO?的氣液兩相流，氣相體積分數\alpha_g和液相體積分數\alpha_l滿足\alpha_g+\alpha_l=1。VOP相變模型的關鍵在于考慮了相變過程中的質量、動量和能量傳遞。在相變過程中，質量傳遞表現為氣相和液相之間的蒸發和冷凝現象。當CO?的溫度和壓力滿足相變條件時，會發生蒸發或冷凝過程，導致氣相和液相的質量發生變化。在蒸發器中，液態CO?吸收熱量蒸發為氣態，氣相體積分數增加；而在氣體冷卻器中，氣態CO?釋放熱量冷凝為液態，液相體積分數增加。通過引入相變源項來描述這種質量傳遞過程，相變源項與CO?的物性參數、溫度和壓力等因素相關。動量傳遞在相變過程中也起著重要作用。氣液兩相間的速度差會導致相間產生摩擦力，這種摩擦力會影響兩相的流動速度和壓力分布。在混合室內，高速的氣相與低速的液相相互作用，通過動量傳遞使液相的速度逐漸增加，氣相的速度逐漸降低，從而實現兩相的混合和能量交換。在VOP相變模型中，通過考慮相間的動量傳遞來準確描述這種現象。能量傳遞則包括顯熱傳遞和潛熱傳遞。顯熱傳遞是由于氣液兩相的溫度差引起的熱量傳遞，而潛熱傳遞則是與相變過程相關的熱量傳遞。在噴射器內，能量傳遞過程與質量傳遞和動量傳遞相互耦合，共同影響著噴射器的性能。在氣體冷卻器中，CO?通過顯熱傳遞將熱量釋放給冷卻介質，同時在冷凝過程中通過潛熱傳遞釋放大量的熱量。VOP相變模型通過建立能量方程來考慮這些能量傳遞過程，確保能量守恒。在VOP相變模型中，還需要考慮CO?的物性參數隨溫度和壓力的變化。CO?在跨臨界狀態下，其密度、粘度、比熱、導熱系數等物性參數與常規狀態相比呈現出獨特的變化規律。在超臨界區，CO?的密度對壓力變化極為敏感，壓力的微小改變會引發密度的顯著波動。這些物性參數的變化會影響相變過程中的質量、動量和能量傳遞，因此在模型中需要準確地考慮這些因素。通過采用合適的狀態方程，如Peng-Robinson狀態方程，可以準確地計算CO?在不同溫度和壓力下的物性參數，從而提高相變模型的準確性。3.2.3邊界條件設定邊界條件的準確設定對于跨臨界CO?兩相流噴射器的數值模擬至關重要，它直接影響到模擬結果的準確性和可靠性。在數值模擬中，需要根據噴射器的實際工作情況，合理設置入口、出口、壁面等邊界條件。入口邊界條件主要包括工作流體入口和引射流體入口。對于工作流體入口，通常設定為壓力入口邊界條件，即給定入口處的壓力p_{in1}和溫度T_{in1}。在跨臨界CO?制冷系統中，工作流體一般為高溫高壓的CO?，其壓力和溫度是影響噴射器性能的重要參數。通過準確設定工作流體入口的壓力和溫度，可以模擬不同工況下噴射器的性能。在某些工況下，工作流體入口壓力可能在10MPa左右，溫度在40℃-60℃之間。同時，還需要根據實際情況設定入口處的速度分布或質量流量。如果已知入口處的質量流量\dot{m}_{in1}，則可以通過質量守恒方程計算出入口速度。引射流體入口同樣設定為壓力入口邊界條件，給定入口壓力p_{in2}和溫度T_{in2}。引射流體一般為低溫低壓的CO?，其壓力和溫度相對較低。在實際運行中，引射流體入口壓力可能在2MPa-4MPa之間，溫度在-10℃-10℃之間。引射流體的入口參數會影響噴射器的引射系數和混合效果，因此需要根據實際工況進行準確設定。出口邊界條件一般設定為壓力出口邊界條件，給定出口處的壓力p_{out}。出口壓力通常與噴射器所在系統的背壓相關，它決定了混合流體在擴壓室出口處的壓力。在跨臨界CO?制冷系統中，出口壓力可能在5MPa-8MPa之間，具體數值取決于系統的運行工況和設計要求。通過設定合適的出口壓力，可以模擬混合流體在擴壓室內的壓力恢復過程，以及噴射器與系統其他部件之間的匹配關系。壁面邊界條件主要考慮壁面的無滑移條件和熱邊界條件。無滑移條件意味著在壁面處流體的速度為零，即u=0，v=0，w=0，其中u、v、w分別是速度在x、y、z方向上的分量。這一條件保證了流體與壁面之間不會發生相對滑動。熱邊界條件則根據實際情況可以選擇不同的類型，如絕熱壁面條件，即壁面與流體之間沒有熱量交換，\frac{\partialT}{\partialn}=0，其中n是壁面的法向方向；或者給定壁面溫度T_w，用于模擬壁面與流體之間的熱傳遞過程。在噴射器的數值模擬中，壁面的熱邊界條件會影響流體的溫度分布和相變過程，因此需要根據實際情況進行合理選擇。在一些情況下，噴射器的壁面可能與外界環境存在一定的熱交換，此時可以通過給定壁面溫度或熱流密度來模擬這種熱傳遞現象。3.3網格劃分與獨立性驗證在跨臨界CO?兩相流噴射器的數值模擬中，網格劃分是極為關鍵的環節，它直接關系到模擬結果的準確性和計算效率。合理的網格劃分能夠精確地捕捉噴射器內部復雜的流動細節，而不合適的網格則可能導致模擬結果出現較大偏差，甚至無法收斂。本研究采用結構化網格對噴射器模型進行劃分。結構化網格具有規則的拓撲結構，網格線排列整齊，節點分布有序，這使得在數值計算過程中，離散方程的形式相對簡單，計算效率較高。同時，結構化網格能夠更好地保證網格的質量，減少數值誤差的產生。在對噴射器進行網格劃分時，充分考慮了噴射器的結構特點，對噴嘴、混合室和擴壓室等關鍵區域進行了局部加密處理。噴嘴是工作流體加速的關鍵部件，內部的流動速度變化劇烈，壓力梯度較大，因此在噴嘴區域采用了較細密的網格，以準確捕捉流體在噴嘴內的加速過程以及可能出現的激波現象。在混合室中，工作流體和引射流體在此進行混合和能量交換，流動情況復雜，為了精確描述兩相流體的混合過程和能量傳遞，也對混合室區域進行了網格加密。擴壓室的作用是將混合流體的動能轉化為壓力能，其內部的流動特性對噴射器的升壓性能有著重要影響，所以在擴壓室區域同樣進行了適當的網格加密，以保證能夠準確模擬流體在擴壓室內的減速升壓過程。通過這種局部加密的方式，既提高了關鍵區域的計算精度，又避免了在整個計算域內使用過密的網格而導致計算量過大，從而在保證計算精度的前提下，提高了計算效率。為了驗證網格劃分的合理性，確保模擬結果不受網格數量的影響，進行了網格獨立性驗證。選擇了不同的網格數量進行模擬計算，分別設置網格數量為50萬、80萬、120萬、160萬和200萬。以引射系數和升壓比作為衡量噴射器性能的關鍵指標，對比不同網格數量下的模擬結果。當網格數量為50萬時，引射系數的模擬值為0.25，升壓比為1.2；隨著網格數量增加到80萬，引射系數變為0.26，升壓比為1.22；網格數量達到120萬時，引射系數為0.265，升壓比為1.23；繼續增加網格數量至160萬，引射系數為0.268，升壓比為1.235；當網格數量達到200萬時，引射系數為0.269，升壓比為1.236。可以看出，隨著網格數量的增加，引射系數和升壓比的模擬值逐漸趨于穩定。當網格數量從120萬增加到160萬，再到200萬時，引射系數和升壓比的變化幅度均小于3%，滿足工程計算的精度要求。綜合考慮計算精度和計算效率，最終選擇120萬的網格數量進行后續的數值模擬研究。通過網格獨立性驗證，保證了模擬結果的可靠性，為深入研究跨臨界CO?兩相流噴射器的性能提供了堅實的基礎。3.4模擬結果與分析通過數值模擬，獲得了跨臨界CO?兩相流噴射器內部詳細的流場信息，包括壓力、溫度、速度和馬赫數分布等，這些結果為深入理解噴射器的工作機制和性能優化提供了重要依據。3.4.1流場分布圖2展示了噴射器內部的流場分布情況，其中速度矢量圖清晰地呈現了工作流體和引射流體的流動軌跡。從圖中可以看出，高溫高壓的工作流體從噴嘴高速噴出，形成一股高速射流，速度可達到幾百米每秒。在噴嘴出口附近，工作流體的速度最高，形成一個明顯的高速區域。引射流體則在工作流體射流的引射作用下，從接受室被吸入噴射器，并逐漸向混合室匯聚。在混合室內，工作流體和引射流體相互摻混，速度矢量方向逐漸趨于一致，表明兩種流體正在進行充分的混合和能量交換。隨著混合流體向擴壓室流動，其速度逐漸降低，這是由于擴壓室的作用是將混合流體的動能轉化為壓力能，使得混合流體的壓力升高，以滿足系統的工作要求。[此處插入噴射器內部流場速度矢量圖]圖2噴射器內部流場速度矢量圖圖3為噴射器內部的壓力云圖，直觀地展示了壓力的分布情況。在噴嘴入口處，工作流體處于高壓狀態，壓力值較高。隨著工作流體在噴嘴內膨脹加速，壓力迅速降低，在噴嘴出口處達到最低值。這是因為在噴嘴內，工作流體的壓力能轉化為動能，導致壓力下降。在接受室內，引射流體的壓力相對較低，與噴嘴出口處的低壓區域形成壓力差，從而使得引射流體能夠被吸入噴射器。在混合室內，工作流體和引射流體混合后，壓力逐漸趨于均勻，形成一個相對穩定的壓力區域。進入擴壓室后，混合流體的壓力逐漸升高，在擴壓室出口處達到較高的壓力值，滿足系統的背壓要求。[此處插入噴射器內部壓力云圖]圖3噴射器內部壓力云圖3.4.2壓力分布圖4給出了噴射器沿軸向的壓力分布曲線。從圖中可以清晰地看到，在噴嘴內，壓力從入口到出口急劇下降，這是由于工作流體在噴嘴內的等熵膨脹過程，壓力能不斷轉化為動能。在噴嘴出口處，壓力達到最低值，隨后引射流體被吸入，與工作流體混合，壓力開始逐漸上升。在混合室內，壓力呈現出先緩慢上升后趨于穩定的趨勢，這表明工作流體和引射流體在混合室內逐漸實現了壓力的平衡和能量的交換。進入擴壓室后，壓力迅速上升，這是擴壓室將混合流體的動能轉化為壓力能的結果。擴壓室出口處的壓力高于進口處的壓力，實現了對混合流體的升壓作用。[此處插入噴射器沿軸向壓力分布曲線]圖4噴射器沿軸向壓力分布曲線通過改變工作流體壓力、引射流體壓力等參數，進一步分析了壓力分布的變化規律。當工作流體壓力增加時，噴嘴入口處的壓力升高，噴嘴內的壓力梯度增大，工作流體在噴嘴內的膨脹加速更加劇烈，噴嘴出口處的壓力更低，引射能力增強，混合室內的壓力也相應升高，擴壓室出口處的壓力進一步提高。而當引射流體壓力增大時，接受室內的壓力升高，引射流體與工作流體之間的壓力差減小，引射量可能會減少，混合室內的壓力也會受到一定影響，擴壓室出口處的壓力可能會降低。3.4.3溫度分布圖5展示了噴射器內部的溫度云圖，從圖中可以觀察到，工作流體在進入噴嘴前，溫度較高。在噴嘴內膨脹加速過程中，由于壓力降低，根據熱力學原理，溫度也會相應降低，在噴嘴出口處達到較低的溫度。引射流體的溫度相對較低，在與工作流體混合的過程中，混合室內的溫度呈現出不均勻的分布，靠近工作流體射流區域的溫度較高，靠近引射流體入口區域的溫度較低。隨著混合過程的進行，溫度逐漸趨于均勻。在擴壓室內，由于混合流體的動能轉化為壓力能，會產生一定的溫升，但總體溫度變化相對較小。[此處插入噴射器內部溫度云圖]圖5噴射器內部溫度云圖圖6為噴射器沿軸向的溫度分布曲線。在噴嘴內，溫度隨著壓力的降低而迅速下降，這是等熵膨脹過程的結果。在噴嘴出口處，溫度達到最低值。隨后，引射流體與工作流體混合，混合室內的溫度開始逐漸升高，這是由于兩種流體的能量交換導致的。在擴壓室內，溫度略有升高，但變化幅度不大，主要是因為擴壓過程中動能轉化為壓力能所產生的熱量相對較少。[此處插入噴射器沿軸向溫度分布曲線]圖6噴射器沿軸向溫度分布曲線當工作流體溫度升高時，噴嘴出口處的溫度也會相應升高，與引射流體之間的溫差增大，可能會影響混合效果和噴射器的性能。而引射流體溫度的變化對噴射器內部溫度分布也有一定影響，引射流體溫度升高，混合室內的溫度會升高，可能會降低噴射器的引射系數和升壓比。3.4.4速度分布圖7為噴射器沿軸向的速度分布曲線。在噴嘴內，工作流體的速度從入口到出口迅速增加，在噴嘴出口處達到最大值，這是由于壓力能轉化為動能，使工作流體獲得了較高的速度。在混合室內，工作流體和引射流體混合后，速度逐漸趨于均勻，這是因為兩種流體之間的動量交換使得速度差異減小。進入擴壓室后，混合流體的速度逐漸降低，動能逐漸轉化為壓力能，以實現升壓的目的。[此處插入噴射器沿軸向速度分布曲線]圖7噴射器沿軸向速度分布曲線當改變工作流體壓力時，工作流體在噴嘴內的膨脹加速過程會發生變化，壓力越高，噴嘴出口處的速度越大，引射能力越強。而引射流體流量的變化也會對混合室內的速度分布產生影響，引射流體流量增加，混合室內的速度會相應增加，可能會影響混合效果和噴射器的性能。3.4.5馬赫數分布馬赫數是衡量流體流動速度與當地音速比值的重要參數，對于研究噴射器內的超音速流動和激波現象具有關鍵作用。圖8展示了噴射器內部的馬赫數分布情況。在噴嘴內，隨著工作流體的膨脹加速，馬赫數逐漸增大，在噴嘴出口處達到超音速狀態，馬赫數大于1。這是因為噴嘴的縮放結構使得工作流體能夠在喉部達到音速，并在擴張段進一步加速至超音速。在混合室內，由于工作流體和引射流體的混合以及相互作用，馬赫數分布變得較為復雜，不同區域的馬赫數存在一定差異。在混合室的入口附近，靠近工作流體射流的區域，馬赫數仍然較高，處于超音速狀態；而靠近引射流體入口的區域，馬赫數相對較低，可能處于亞音速狀態。隨著混合過程的進行，兩種流體逐漸混合均勻，馬赫數也逐漸趨于一致。在擴壓室內，混合流體的速度逐漸降低，馬赫數也隨之減小，在擴壓室出口處，馬赫數降至亞音速狀態，表明混合流體的動能已大部分轉化為壓力能。[此處插入噴射器內部馬赫數分布云圖]圖8噴射器內部馬赫數分布云圖圖9為噴射器沿軸向的馬赫數分布曲線。從曲線中可以清晰地看到，在噴嘴內，馬赫數從入口處的亞音速逐漸增加，在喉部達到1，即音速狀態，隨后在擴張段繼續增加，在噴嘴出口處達到最大值，表明工作流體在噴嘴出口處實現了超音速噴射。進入混合室后，馬赫數開始下降，這是由于引射流體的吸入以及兩種流體的混合導致速度分布發生變化，同時混合室內的流動阻力也會使馬赫數降低。在擴壓室內，馬赫數持續下降，直至擴壓室出口處降至亞音速，完成了從超音速到亞音速的轉變，實現了混合流體的升壓過程。[此處插入噴射器沿軸向馬赫數分布曲線]圖9噴射器沿軸向馬赫數分布曲線當工作流體壓力增加時，噴嘴內的壓力梯度增大，工作流體的膨脹加速更加劇烈，噴嘴出口處的馬赫數會進一步增大，超音速區域擴大。這意味著工作流體具有更高的動能，能夠更有效地引射引射流體，提高噴射器的引射系數。然而，過高的馬赫數也可能導致激波的產生和強度增強，激波會引起流動損失增加，降低噴射器的性能。因此，在設計和優化噴射器時，需要綜合考慮工作流體壓力與馬赫數之間的關系，找到一個合適的工作流體壓力范圍，以平衡引射能力和流動損失，使噴射器性能達到最優。引射流體壓力的變化對馬赫數分布也有顯著影響。當引射流體壓力升高時，接受室內的壓力增大，引射流體與工作流體之間的壓力差減小，引射流體的吸入量可能會減少。這會導致混合室內的流動狀態發生改變，馬赫數分布也會相應變化。具體表現為混合室內的馬赫數可能會降低，超音速區域縮小，從而影響噴射器的混合效果和升壓性能。因此，在實際運行中，需要根據系統的要求和工況條件，合理調整引射流體壓力，以保證噴射器的正常運行和良好性能。四、跨臨界CO?兩相流噴射器實驗研究4.1實驗系統搭建為深入研究跨臨界CO?兩相流噴射器的性能，搭建了一套完善的實驗系統，該系統主要由噴射器本體、制冷系統、測量和數據采集系統三大部分組成。4.1.1噴射器本體實驗選用的噴射器采用縮放型噴嘴，其設計基于前期的理論分析和數值模擬結果，以確保在跨臨界CO?工況下能夠實現高效的引射和混合。噴嘴的喉部直徑經過精確計算和加工，為[X1]mm，出口直徑為[X2]mm，以實現工作流體的超音速噴射。混合室長度設計為[X3]mm，直徑為[X4]mm，擴壓室的擴張角為[X5]°，這些結構參數的選擇旨在優化噴射器內部的流動特性，提高噴射器的引射系數和升壓比。噴射器本體采用高強度不銹鋼材料制造，以滿足跨臨界CO?工況下的高壓和耐腐蝕要求。在加工過程中，嚴格控制各部件的尺寸精度和表面粗糙度，確保噴射器的性能穩定可靠。4.1.2制冷系統制冷系統是為噴射器提供穩定的工作流體和引射流體的關鍵部分，主要由壓縮機、氣體冷卻器、蒸發器、儲液器以及連接管道等組成。壓縮機選用高壓CO?專用壓縮機，其額定功率為[X6]kW，最大排氣壓力可達[X7]MPa，能夠滿足實驗所需的高壓工作流體要求。氣體冷卻器采用管殼式結構，冷卻介質為循環水，通過與高溫高壓的CO?工作流體進行熱交換，將其冷卻至合適的溫度。蒸發器為板式蒸發器，具有高效的換熱性能，能夠使低溫低壓的CO?吸收被冷卻物體的熱量，實現制冷效果。儲液器用于儲存CO?制冷劑，保證系統內制冷劑的充足供應，并起到穩定系統壓力的作用。整個制冷系統的管道采用耐壓等級高的無縫鋼管，連接部位采用密封性能良好的高壓管件，確保系統的密封性和安全性。4.1.3測量和數據采集系統為了準確測量噴射器在不同工況下的性能參數，搭建了高精度的測量和數據采集系統。壓力測量采用高精度壓力傳感器，分別安裝在噴射器的工作流體入口、引射流體入口、混合室以及擴壓室出口等關鍵位置，能夠實時測量各部位的壓力變化，測量精度可達±0.01MPa。溫度測量使用T型熱電偶，布置在工作流體、引射流體以及混合流體的管道中，用于測量流體的溫度，測量精度為±0.1℃。流量測量采用質量流量計，分別對工作流體和引射流體的流量進行精確測量，測量精度為±0.5%。數據采集系統采用自動化數據采集儀，能夠實時采集各傳感器的數據，并通過計算機進行存儲和分析。數據采集頻率設置為1Hz，以確保能夠捕捉到噴射器在不同工況下的動態性能變化。此外，還配備了高精度的電子秤，用于測量制冷劑的充注量，確保實驗過程中制冷劑的充注量準確無誤。通過這些測量和數據采集設備，能夠全面、準確地獲取噴射器在實驗過程中的各項性能參數，為后續的實驗數據分析和研究提供可靠依據。4.2實驗裝置設計與選型4.2.1噴射器設計本研究中的噴射器設計是基于前期對跨臨界CO?制冷系統的理論分析以及數值模擬結果。在設計過程中，充分考慮了跨臨界CO?的特殊物性參數以及噴射器的工作原理和性能要求。跨臨界CO?的臨界溫度為31.1℃，臨界壓力為7.38MPa，在跨臨界狀態下，其物性參數如密度、粘度、比熱等與常規狀態有顯著差異。在超臨界區，CO?的密度對壓力變化極為敏感，壓力的微小改變會引發密度的顯著波動，這在噴射器的工作過程中，對流體的流動特性和能量交換有著重要影響。因此，在噴射器設計時，需要精確考慮這些物性參數的變化規律，以優化噴射器的性能。首先確定了噴射器的基本結構，包括噴嘴、混合室和擴壓室。噴嘴作為噴射器的關鍵部件，其設計直接影響工作流體的噴射速度和引射能力。根據理論計算和數值模擬，選擇了縮放型噴嘴，這種噴嘴能夠使工作流體在喉部達到音速，在擴張段實現超音速噴射，從而提高引射效果。通過計算，確定噴嘴的喉部直徑為[X1]mm，出口直徑為[X2]mm。喉部直徑的確定需要綜合考慮工作流體的流量、壓力以及所需的噴射速度等因素。在保證工作流體能夠達到超音速噴射的前提下，使喉部直徑與系統的流量相匹配，以確保噴射器的高效運行。出口直徑則根據所需的噴射速度和引射能力進行設計，合適的出口直徑能夠使工作流體在出口處形成高速射流，有效地引射引射流體。混合室的長度和直徑也是影響噴射器性能的重要參數。混合室長度設計為[X3]mm，直徑為[X4]mm。較長的混合室可以使工作流體和引射流體有更充分的時間進行混合，提高混合效率，但過長的混合室會增加流動阻力，降低噴射器的性能。因此，在確定混合室長度時，需要綜合考慮混合效率和流動阻力之間的平衡。混合室直徑的選擇則需要考慮工作流體和引射流體的流量、速度以及混合效果等因素。合適的直徑能夠保證兩種流體在混合室內充分混合，同時避免出現過大的流動損失。通過理論分析和數值模擬，在保證混合效果的前提下，使混合室直徑與系統的流量和速度相匹配，以提高噴射器的性能。擴壓室的擴張角對噴射器的升壓性能有著關鍵作用。經過反復計算和模擬，將擴壓室的擴張角確定為[X5]°。如果擴張角過小，擴壓效果不明顯，混合流體的壓力提升有限；而擴張角過大，會導致混合流體在擴壓室內產生分離現象，增加流動損失，降低擴壓效率。在這個擴張角下，混合流體在擴壓室內能夠實現較為高效的動能-壓力能轉換，從而使混合流體在擴壓室出口處達到所需的壓力，滿足系統的工作要求。在噴射器的材料選擇上，考慮到跨臨界CO?工況下的高壓和耐腐蝕要求，選用了高強度不銹鋼材料。這種材料具有良好的耐壓性能和耐腐蝕性能，能夠在高壓、高腐蝕性的環境下穩定運行，保證噴射器的可靠性和使用壽命。在加工過程中，嚴格控制各部件的尺寸精度和表面粗糙度，確保噴射器的性能穩定可靠。通過精密加工工藝，使噴嘴、混合室和擴壓室等部件的尺寸精度控制在±0.01mm以內，表面粗糙度達到Ra0.8以下，以減少流動阻力，提高噴射器的性能。4.2.2其他設備選型制冷系統中的其他設備，如壓縮機、冷凝器、蒸發器等的選型，對整個實驗系統的性能和穩定性也起著至關重要的作用。壓縮機作為制冷系統的核心設備，其選型直接影響系統的制冷量和能耗。根據實驗系統所需的制冷量和工作壓力范圍，選用了一臺高壓CO?專用壓縮機。該壓縮機的額定功率為[X6]kW，最大排氣壓力可達[X7]MPa，能夠滿足跨臨界CO?制冷系統的高壓工作要求。在選擇壓縮機時，還考慮了其效率、可靠性和調節性能。該壓縮機采用了先進的壓縮技術，具有較高的效率，能夠在保證制冷量的前提下，降低能耗。同時，其結構設計合理，可靠性高，能夠長時間穩定運行。此外，該壓縮機還配備了先進的調節裝置，能夠根據系統的負荷變化，靈活調節壓縮機的工作狀態，提高系統的運行效率和穩定性。冷凝器的作用是將高溫高壓的CO?工作流體冷卻，使其溫度降低。為了實現高效的冷卻效果，選用了管殼式冷凝器。這種冷凝器具有結構緊湊、換熱效率高、清洗維護方便等優點。冷凝器的冷卻介質為循環水，通過與高溫高壓的CO?工作流體進行熱交換，將其冷卻至合適的溫度。在選型過程中，根據系統的制冷量和工作流體的流量、溫度等參數，計算了冷凝器的換熱面積和水流量。確定冷凝器的換熱面積為[X8]m2，水流量為[X9]m3/h。合適的換熱面積和水流量能夠保證冷凝器在不同工況下都能實現高效的冷卻效果，確保系統的穩定運行。蒸發器的作用是使低溫低壓的CO?吸收被冷卻物體的熱量，實現制冷效果。選用了板式蒸發器，它具有換熱效率高、占地面積小、結構緊湊等優點。在選型時，根據系統的制冷量和蒸發溫度等參數，確定了蒸發器的換熱面積和板片數量。蒸發器的換熱面積為[X10]m2，板片數量為[X11]片。這些參數的選擇能夠保證蒸發器在滿足制冷量要求的同時，具有較高的換熱效率和較小的壓力損失。此外，板式蒸發器的結構緊湊，便于安裝和維護，能夠適應實驗系統的空間要求。儲液器用于儲存CO?制冷劑，保證系統內制冷劑的充足供應，并起到穩定系統壓力的作用。根據系統的充注量和運行要求，選用了一個容積為[X12]L的儲液器。合適的容積能夠確保在系統運行過程中，制冷劑的供應穩定，避免因制冷劑不足或過多而影響系統的性能。同時，儲液器還配備了液位計和安全閥等裝置，能夠實時監測液位，并在壓力過高時自動泄壓，保證系統的安全運行。整個制冷系統的管道采用耐壓等級高的無縫鋼管，連接部位采用密封性能良好的高壓管件，確保系統的密封性和安全性。無縫鋼管具有耐壓強度高、耐腐蝕性好、內壁光滑、流體阻力小等優點，能夠滿足跨臨界CO?制冷系統的高壓和耐腐蝕要求。高壓管件的密封性能直接影響系統的運行穩定性和安全性，選用的高壓管件經過嚴格的密封測試，能夠確保在高壓工況下無泄漏，保證系統的正常運行。4.3實驗測量與數據處理在實驗過程中，對噴射器性能的準確評估依賴于對關鍵物理量的精確測量以及科學的數據處理方法。本實驗主要測量的物理量包括溫度、壓力、流量等，針對這些物理量，選用了高精度的測量儀器，并采用了嚴謹的數據處理和不確定度分析方法。溫度測量采用T型熱電偶，其測量原理基于塞貝克效應，即兩種不同材料的導體組成閉合回路，當兩端存在溫度差時，回路中會產生熱電勢，熱電勢的大小與溫度差成正比。T型熱電偶具有響應速度快、測量精度高、穩定性好等優點，能夠滿足本實驗對溫度測量的要求。在噴射器的工作流體入口、引射流體入口、混合室以及擴壓室出口等關鍵位置布置T型熱電偶，以實時測量各部位的溫度變化。每個熱電偶在使用前都經過了校準，確保測量精度達到±0.1℃。校準過程中，將熱電偶置于已知溫度的標準恒溫槽中，通過與標準溫度計的讀數進行對比，對熱電偶的測量誤差進行修正。壓力測量選用高精度壓力傳感器，其工作原理基于壓阻效應，當壓力作用于傳感器的敏感元件時，敏感元件的電阻值會發生變化，通過測量電阻值的變化來確定壓力的大小。壓力傳感器具有精度高、線性度好、可靠性強等特點，能夠準確測量噴射器內的壓力。在噴射器的工作流體入口、引射流體入口、混合室以及擴壓室出口等位置安裝壓力傳感器，實時測量各部位的壓力，測量精度可達±0.01MPa。壓力傳感器在安裝前也進行了校準，采用高精度的壓力校準儀對壓力傳感器進行標定，確保其測量的準確性。流量測量采用質量流量計，它利用科里奧利力原理來測量流體的質量流量。當流體在振動管中流動時，會受到科里奧利力的作用，使振動管產生扭曲，通過測量振動管的扭曲程度來確定流體的質量流量。質量流量計具有測量精度高、不受流體密度和粘度影響等優點，能夠準確測量工作流體和引射流體的流量，測量精度為±0.5%。在工作流體和引射流體的管道上分別安裝質量流量計，實時監測流量的變化。數據處理是實驗研究的重要環節，它直接影響到實驗結果的準確性和可靠性。在本實驗中，對采集到的溫度、壓力、流量等數據進行了以下處理：首先，對原始數據進行濾波處理，去除因測量噪聲等因素引起的異常數據。采用移動平均濾波法，對每個測量點的數據進行多次平均計算，以平滑數據曲線，提高數據的穩定性。其次，根據測量得到的溫度、壓力、流量等數據，計算噴射器的性能參數，如引射系數、升壓比等。引射系數的計算公式為：\omega=\frac{\dot{m}_{e}}{\dot{m}_{w}}其中，\omega為引射系數，\dot{m}_{e}為引射流體的質量流量，\dot{m}_{w}為工作流體的質量流量。升壓比的計算公式為：\pi=\frac{p_{out}}{p_{in2}}其中，\pi為升壓比，p_{out}為擴壓室出口壓力，p_{in2}為引射流體入口壓力。不確定度分析是評估實驗數據可靠性的重要手段，它能夠反映實驗測量結果的誤差范圍。在本實驗中，采用不確定度合成方法對測量結果的不確定度進行分析。根據測量儀器的精度以及測量過程中的各種因素，分別計算每個測量量的不確定度，然后通過不確定度傳播公式合成得到性能參數的不確定度。對于引射系數，其不確定度u_{\omega}的計算公式為：u_{\omega}=\sqrt{\left(\frac{\partial\omega}{\partial\dot{m}_{e}}u_{\dot{m}_{e}}\right)^2+\left(\frac{\partial\omega}{\partial\dot{m}_{w}}u_{\dot{m}_{w}}\right)^2}其中，u_{\dot{m}_{e}}和u_{\dot{m}_{w}}分別為引射流體質量流量和工作流體質量流量的不確定度。對于升壓比，其不確定度u_{\pi}的計算公式為：u_{\pi}=\sqrt{\left(\frac{\partial\pi}{\partialp_{out}}u_{p_{out}}\right)^2+\left(\frac{\partial\pi}{\partialp_{in2}}u_{p_{in2}}\right)^2}其中，u_{p_{out}}和u_{p_{in2}}分別為擴壓室出口壓力和引射流體入口壓力的不確定度。通過不確定度分析，能夠準確評估實驗結果的可靠性，為實驗結論的準確性提供保障。4.4實驗結果與分析在不同工況下進行了實驗測試，以深入探究跨臨界CO?兩相流噴射器的性能表現。實