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噴射器結(jié)構(gòu)改進及制冷應用的研究展望
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| 發(fā)布時間：
2023/5/29 |
為了使噴射器適應更廣的運行范圍、獲得更佳的引射率或升壓比，從結(jié)構(gòu)改進入手提升噴射器性能在近年來成為研究熱點。文章通過文獻綜述的方法，對現(xiàn)有噴射器結(jié)構(gòu)改進在設(shè)計、模擬和制冷應用層面的研究進展進行了梳理。首先，對噴射器結(jié)構(gòu)改進設(shè)計中應用的數(shù)學模型進行了歸納；其后從幾何特征和流變特性兩方面，對結(jié)構(gòu)改進后的噴射器模擬研究進行了匯總，梳理了噴嘴出口位置、噴針位置和混合室長度等結(jié)構(gòu)要素對噴射器性能的影響；最后，對結(jié)構(gòu)改進噴射器應用于制冷領(lǐng)域中的代表性實驗研究也進行了回顧。文章對噴射器結(jié)構(gòu)改進技術(shù)發(fā)展的回顧與展望可服務該領(lǐng)域內(nèi)工程實踐的深化。
噴射器作為一種增壓、真空、混合裝置，以其顯著的節(jié)能效果、無環(huán)境污染的工作特點，以及結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、操作容易、維修方便等優(yōu)勢，被廣泛用于化工工業(yè)、制冷系統(tǒng)、燃料電池和航空航天等多個領(lǐng)域。近年來，隨著國際能源價格的上漲和全社會對環(huán)境問題的重視，世界各國對節(jié)能、環(huán)保、高效的能源利用與轉(zhuǎn)化方式提出了更高的要求，使得噴射器的研究受到眾多國內(nèi)外學者的關(guān)注。噴射技術(shù)正成為一門覆蓋面大、應用范圍廣的舊技術(shù)、新課題。
自從1910年法國MAURICE LEBLANC制造了第1個蒸汽制冷的噴射器以來，噴射器的研究開始受到關(guān)注。根據(jù)噴射器的研究情況，分為以下4種類型介紹。
(1)選用混合工質(zhì)研究傳統(tǒng)噴射器。YANG等用R600a-R601分析了噴射式功冷聯(lián)供系統(tǒng)。結(jié)果表明：噴射器中的?損失最大，超過系統(tǒng)總?損失的40%。LI等選用了R141b-R134a(70-30)，R141b-R152a(80-20)，R123-R152a(85-15)工質(zhì)。WANG等以NH3-H2O為工質(zhì)進行了傳統(tǒng)噴射器的研究工作。
(2)選用純工質(zhì)研究傳統(tǒng)噴射器。在不同工況下，ZHU等用R141b對95種不同尺寸噴射器的性能進行了測試。ZHAO等、WANG等和AGRAWAL等分別以R123、R245fa和R141b對傳統(tǒng)噴射器進行了研究。
(3)選用混合工質(zhì)研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化噴射器。CIZUNGU等以混合工質(zhì)NH3-H2O進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化噴射器的研究。結(jié)果表明：噴射器尺寸對其性能有重要的影響。
(4)選用純工質(zhì)研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化噴射器。LIU等研究了超臨界CO2噴射制冷系統(tǒng)。當噴嘴出口到混合室距離為混合室喉部直徑的3倍時，系統(tǒng)COP最大。LIN等[、HU等，APHORNRATANA等和PEREIRA等分別采用R134a、R410a、H2O和R600a為工質(zhì)研究了結(jié)構(gòu)優(yōu)化噴射器。
國內(nèi)外眾多學者從傳統(tǒng)噴射器設(shè)計方法、模擬和實驗研究等方面進行了大量的研究工作。摩擦、升壓比、激波和引射率等參數(shù)的相繼引入，使噴射器的理論研究更加完善。同時，許多學者針對噴射器的不同運行工況和幾何尺寸，內(nèi)部流體流動特性以及其對噴射器性能的影響進行了大量的研究。在此基礎(chǔ)上，SUN等綜述了一維和二維傳統(tǒng)噴射器模型的研究進展。HE等詳細介紹了傳統(tǒng)噴射器熱力學模型、動力學模型、經(jīng)驗、半經(jīng)驗模型的研究進展。傳統(tǒng)噴射器模型的研究逐漸從理想發(fā)展到接近實際。然而，傳統(tǒng)噴射器仍然存在一些問題：
(1)由于超音速流動產(chǎn)生的激波導致極大的不可逆損失，降低噴射器的性能；
(2)在偏離設(shè)計工況下，噴射器性能下降，甚至不能工作。針對上述問題，國內(nèi)外學者進行了大量優(yōu)化研究，以提高噴射器性能。基于現(xiàn)有文獻的研究成果，本文重點綜述了噴射器結(jié)構(gòu)改進方法以及其在模擬和實驗中的研究進展，并對噴射器的未來發(fā)展進行展望。
2 概述
噴射器的工作過程見圖1：工作流體p經(jīng)過噴嘴減壓增速，在噴嘴出口達到聲速。在吸入室5內(nèi)，工作流體抽吸引射流體s。二者在混合室3內(nèi)進行充分混合后，經(jīng)過擴散室4進行增壓減速過程流出噴射器。現(xiàn)有的噴射器尺寸研究包括：噴針直徑Des (ejector spindle position diameter)、噴針位置SP (spindle position)、噴嘴位置NXP (nozzle exit position)、噴嘴喉部直徑Dt(nozzle throat diameter)、混合室直徑Dm (mixing chamber diameter)、擴散室出口直徑Dd (outlet diameter of diffusion chamber)、等壓混合室角度θ和擴散室角度α等。表 1為噴射器結(jié)構(gòu)改進文獻中出現(xiàn)的術(shù)語對比與匯總。
圖1 噴射器結(jié)構(gòu)圖
表1 噴射器結(jié)構(gòu)改進術(shù)語對比與匯總
根據(jù)現(xiàn)有研究情況，將噴射器的結(jié)構(gòu)改進方法分為以下兩條技術(shù)路線，見圖2。
圖2 噴射器優(yōu)化方法研究
(1) 變型線噴射器，包括噴射器主體變型線和噴針變型線。噴射器主體變型線，即根據(jù)噴射器內(nèi)部流體流動情況，確定噴射器截面的面積，以減弱或消除激波，提升噴射器性能；噴針變型線，即采用等面積比設(shè)計變型線噴針，使噴嘴出口與喉部面積比恒定，減小等面積噴嘴的不可逆損失；
(2) 可調(diào)式噴射器，即使用噴針，調(diào)節(jié)流動情況，擴大噴射器運行范圍。
3 設(shè)計方法
目前，噴射器結(jié)構(gòu)改進包括變型線和可調(diào)式兩種。變型線噴射器主要涉及的模型為等馬赫數(shù)梯度模型、動量變化率恒定模型和變面積漸縮-漸擴噴嘴模型。噴射器結(jié)構(gòu)改進方法與傳統(tǒng)設(shè)計方法的對比，見圖3。然而，可調(diào)式結(jié)構(gòu)優(yōu)化噴射器的研究有待進行，以完善設(shè)計方法，優(yōu)化調(diào)控策略和提高噴射器性能。
圖3 傳統(tǒng)與改進噴射器設(shè)計方法對比
3.1 變型線噴射器3.1.1 等馬赫數(shù)梯度模型
郭建等提出的等馬赫數(shù)梯度模型主要針對噴嘴的漸縮和漸擴部分、混合室漸縮部分和擴壓室漸擴部分的壁面型線進行設(shè)計。圖4為噴射器擴散室設(shè)計型線的對比。
圖4 等馬赫數(shù)梯度模型和常規(guī)設(shè)計方法的型線對比
該模型的核心假設(shè)為馬赫數(shù)沿X的變化率恒定：
dMadX=constdMadX=const(1)
經(jīng)過推導可以得到噴射器任意一點橫截面積及壓力隨馬赫數(shù)變化關(guān)系：
Ai+1Ai=MaiMai+1[2+(γ?1)Ma2i+12+(γ?1)Ma2i]γ+1/2(γ?1)Ai+1Ai=MaiMai+1[2+(γ?1)Mai+122+(γ?1)Mai2]γ+1/2(γ?1)(2)
pipi+1=[2+(γ?1)Ma2i+12+(γ?1)Ma2i]γ/γ?1pipi+1=[2+(γ?1)Mai+122+(γ?1)Mai2]γ/γ?1(3)
其中，混合流體的馬赫數(shù)定義為：
Mam=vmγRTm√Mam=vmγRTm(4)
等馬赫數(shù)梯度模型是根據(jù)噴射器內(nèi)部流體馬赫數(shù)的變化來設(shè)計噴射器的幾何結(jié)構(gòu)尺寸，其目的是使流體在引射過程中更好的沿壁面實現(xiàn)增速或者減速流動，避免渦流和激波造成的不可逆損失，從而使得噴射器性能提升。
3.1.2 動量變化率恒定模型
EAMES提出動量變化率恒定CRMC(the constant rate of momentum change method)模型來設(shè)計變型線噴射器，其幾何結(jié)構(gòu)見圖5。該模型旨在通過優(yōu)化噴射器內(nèi)部的壁面型線，以消除激波，從而提高噴射器性能。
圖5 CRMC噴射器結(jié)構(gòu)
該模型的核心假設(shè)為動量沿X的變化率恒定：
dModX= mp(1+μ)dvdX=CdModX= mp(1+μ)dvdX=C(5)
根據(jù)動量守恒、能量守恒，可得擴散室進口溫度為：
T1=To,1?v212cpT1=To,1?v122cp(6)
根據(jù)動量變化率恒定可得擴散室位置X的速度，則擴散室的溫度和靜壓為
TX=To,1?v2d, X2cpTX=To,1?vd, X22cp(7)
pX=po, 1(TXTo, 1)γ/γ?1pX=po, 1(TXTo, 1)γ/γ?1(8)
根據(jù)質(zhì)量守恒，擴散室位置X的直徑由式(9)得到。
Dd,X=2mp(1+μ)RTXπpXvd,X?????????√Dd,X=2mp?(1+μ)RTXπpXvd,X(9)
噴嘴、混合室的設(shè)計與此方法相同。
基于動量變化率恒定模型，可以設(shè)計噴射器內(nèi)部任意一點的幾何尺寸，而不是簡單地設(shè)計關(guān)鍵點尺寸，如噴嘴喉部、混合室和擴散室，使得流體流動更接近真實的引射過程。與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，該模型設(shè)計的噴射器可以消除激波，使噴射器性能得到提升。結(jié)果表明：引射率相同時，CRMC噴射器升壓比提升了50%。通過將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果很好。KUMAR等研究了考慮摩擦的CRMC噴射器。在預測升壓比時，發(fā)現(xiàn)考慮摩擦比假設(shè)絕熱的方法效果更好。ALI的研究表明：CRMC噴射器減少了部分激波的產(chǎn)生，但是激波現(xiàn)象并未完全消除。因此，噴射器結(jié)構(gòu)改進模型的研究有待繼續(xù)。
3.1.3 變面積漸縮-漸擴噴嘴模型
PETROVIC等提出變噴嘴截面積模型，以設(shè)計變型線噴針的結(jié)構(gòu)，見圖6。目的是確保工作流體在噴嘴中的膨脹，使噴嘴出口工作流體的靜壓盡可能接近引射流體的靜壓，以避免過度膨脹和膨脹不足造成的不可逆損失。
圖6 變噴嘴截面積.
基于流體一維等熵流動和理想氣體絕熱過程，該模型假設(shè)噴嘴進出口面積比恒定：
AAc=K, K>1AAc=K, K>1(10)
代入進出口面積，得
D2?4R2a(X)D2?4R2a(X+L)=KD2?4Ra2?(X)D2?4Ra2?(X+L)=K(11)
等式(11)是位置X的函數(shù)，則：
f(X)=D24?R2a(X)f(X)=D24?Ra2?(X)(12)
f(X+L)=D24?R2a(X+L)f(X+L)=D24?Ra2?(X+L)(13)
該模型顯然對應于指數(shù)函數(shù)，則可以用以下方式表示：
f(X)=C×SXf(X)=C×SX(14)
C是常數(shù)，S是K的函數(shù)，式(13)中的邊界條件可以定義常數(shù)C。
由等式(11)、(12)和(14)，可得任意位置的半徑：
Ra(X)=D24?C×K?XL?????????????√Ra?(X)=D24?C×K?XL(15)
即，任意位置X的噴針半徑：
Ra(X)=D21?K?XL????????√Ra?(X)=D21?K?XL(16)
通過假設(shè)噴嘴進出口面積比恒定，該模型可以合理設(shè)計噴針的型線。雖然在噴嘴出口仍出現(xiàn)激波，但是激波對總壓力的影響不大。實驗和模擬研究表明：在工況變化時，該噴射器仍可以很好的工作。通過對比上述模型，可以發(fā)現(xiàn)等馬赫數(shù)梯度模型和動量變化率恒定模型多用于設(shè)計噴射器的主體結(jié)構(gòu)。這是由于當超聲速氣流繞物體流動時，在流場中往往出現(xiàn)強壓縮波，即激波，導致極大的不可逆損失。為克服該問題，以上兩種模型均假設(shè)速度沿噴射器長度的變化率恒定，以此設(shè)計出變壁面型線的噴射器。第3種變面積漸縮-漸擴噴嘴模型，假設(shè)噴嘴出口和喉部的面積比恒定，以此設(shè)計變型線噴針提高噴射器的性能。
3.2 可調(diào)式噴射器
可調(diào)式噴射器是在傳統(tǒng)噴射器噴嘴上增加一個噴針裝置，見圖 1。張琨采用一維半經(jīng)驗模型，根據(jù)噴射器的壓力和流量等參數(shù)與各截面直徑之間的關(guān)系，分析了可調(diào)式氣體噴射器的噴射系數(shù)、氣體壓力和氣體流量等參數(shù)隨噴嘴喉部當量直徑改變的變化。不同于郭建等的假設(shè)，該模型增加了混合過程為等壓混合，以及在混合室入口處開始混合的條件。
根據(jù)流體力學，可得任何流體的臨界截面積為：
Ac=mcKπcpoAc=mcKπc?po(17)
引射率為：
μ=K1vp, cvd, cλn?K3λdK4λd?K2vs, cvd, cλmμ=K1vp, cvd, cλn?K3λdK4λd?K2vs, cvd, cλm(18)
張琨[28]采用一維半經(jīng)驗模型設(shè)計了可調(diào)式噴射器的結(jié)構(gòu)，并進行了模擬研究。結(jié)果表明：若噴嘴喉部截面積減小，則可調(diào)式噴射器引射率可以提高。在一定程度上，可調(diào)式噴射器可以緩解因?qū)嶋H工作條件偏離設(shè)計點而導致的性能下降。在對噴射器的調(diào)節(jié)中，只有噴嘴喉部和出口截面積變化，混合室、擴散室結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。噴針調(diào)節(jié)噴嘴出口和喉部的面積比，實現(xiàn)了對噴射器工作參數(shù)改變的調(diào)整或?qū)Τ隹趨?shù)的調(diào)控。因此，可調(diào)式噴射器更加穩(wěn)定、經(jīng)濟、方便，具有一定的節(jié)能和工程應用價值。
綜合上述設(shè)計模型，可以發(fā)現(xiàn)噴針設(shè)計方法較為欠缺。噴針作為可調(diào)式噴射器的關(guān)鍵部件，其設(shè)計方法和主動調(diào)控的研究有待深入進行。同時，變型線噴針和變型線噴射器耦合的結(jié)構(gòu)改進噴射器有待研究，以明確變型線噴針對噴射器性能的提升和對內(nèi)部流動情況的影響。
4 模擬研究
計算流體力學(computational fluid dynamics technique, CFD)已成為預測噴射器整體運行和局部流動的重要工具。為了更好地展現(xiàn)國內(nèi)外學者對結(jié)構(gòu)優(yōu)化噴射器的研究，表 2中詳細的列出了相關(guān)研究情況，包括系統(tǒng)類型、模擬方法、湍流模型、工質(zhì)選擇以及激波的研究等。模擬研究主要從幾何特征、激波、關(guān)鍵參數(shù)和工質(zhì)選擇等方面進行介紹。
表2 模擬研究
YANG等對圖 7所示圓錐形、十字形、正方形、矩形和橢圓形噴嘴噴射器的模擬研究表明：與矩形噴嘴相比，圓錐形噴嘴引射率μ和臨界背壓CBP (critical back pressure)分別降低了7.1%和21.3%；相比橢圓形噴嘴噴射器μ和CBP分別降低了7.9%和21.3%；方形噴嘴使噴射器的μ提高了2.0%，CBP降低了2.1%；十字形噴嘴噴射器μ和CBP分別提高9.1%和6.4%。GUTIéRREZ等研究了三維噴嘴出口尺寸可變噴射器。結(jié)果表明：在效率保持恒定，運行工況變化的情況下，噴射器可以更有效的運行。該噴射器使工作流體和引射流體更有效的混合，使引射率相對提升8.23%。
圖7 噴嘴結(jié)構(gòu)
眾多學者在研究關(guān)鍵參數(shù)對激波影響的基礎(chǔ)上，也進行了激波現(xiàn)象對噴射器性能影響的研究。LIN等分析了阻塞面積比BAR(blockage area ratio)、噴嘴發(fā)散角度NDA(nozzle diverging angle)、混合室長度Lm、噴嘴位置NXP、等壓混合室角度θ對可調(diào)式噴射器性能的影響。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，建立CFD模型，進行模擬研究。結(jié)果表明：優(yōu)化尺寸后升壓比可以得到有效提高，且升壓比對NDA和Lm變化很敏感。ELHUB等的研究表明：在擴散室附近無激波產(chǎn)生時，噴射器具有較高的引射率，且NXP為3~5mm引射率最高。LIN等研究了阻塞面積比與速度分布的關(guān)系，見圖 8。隨BAR增加，激波長度變短、數(shù)量減少；噴針位于工作流體超聲速區(qū)時，激波轉(zhuǎn)換成環(huán)形激波；噴針位于混合室時，激波迅速消失，混合段流體速度明顯降低。隨BAR增加，流體在噴嘴出口速度降低的更快，且引射流體速度增加較小；噴射器出口速度降低；激波起點越來越靠近噴嘴出口，且長度更短。同時，升壓比PRR(pressure recovery ratio)對冷卻負荷的變化敏感。VARGA等分析了偏離設(shè)計工況下，一個面積比可變噴射器的性能。在設(shè)計工況下，R600a和R152a引射率分別是0.22和0.1，偏離設(shè)計工況下，調(diào)整噴針位置引射率得到明顯的提高。噴針位置從1變化到9mm，面積比從3.1變化到5.2。當噴針位于1 mm時，噴嘴出口立刻產(chǎn)生激波，造成壓力增加。在2和4mm處，繼續(xù)移動噴針的位置，噴嘴出口和擴散室出口激波加強。不同SP下馬赫數(shù)的分布，見圖9。在1 mm處，噴嘴出口產(chǎn)生明顯的激波導致壓力下降，且引射流體未能被引射。隨SP增加，噴嘴出口激波變得更緩并且擴散室中流體擴散的更遠。OMIDVAR等的研究發(fā)現(xiàn)：噴射器出口溫度高于臨界溫度時，混合過程?損失占主要作用。相反，激波導致的?損失占主，見圖10。HE等研究傳統(tǒng)噴射器出現(xiàn)了相同的結(jié)果，見圖11。
圖8 不同BAR下的速度分布
a.0% b.10% c.20% d.30% e.40% f.50%
圖9 Tg=85℃，Td=31℃時R600a噴射器內(nèi)部Ma分布(Ma> 1)
Fig.9Ma distribution inside a R600a ejector (Tg=85℃, Td=31℃)[30](Ma>1) a. 1mm b. 2mm c. 4 mm d. 8mm
圖10 NXP=9 mm和Tg=105℃時，噴射器內(nèi)熵的變化
Fig.10 Entropy variation in an ejector (NXP=9 mm, Tg=105℃)
圖11 噴射器焓-熵示意圖
Fig.11 Diagram of enthalpy and entropy of an ejector b-c. mixing process d-3. diffusion process
目前，結(jié)構(gòu)改進噴射器中變型線噴針和噴射器的研究較少，主要以可調(diào)式噴射器的研究為主。HU等研究了噴嘴喉部尺寸和噴嘴位置對噴射器性能的影響。在喉部直徑為1mm，噴嘴位于4mm時，噴射器性能最好。同時，可調(diào)式噴射器可以在不同工況下運行，且優(yōu)化噴嘴尺寸可以使引射率提高30%。張琨研究了在保持其他參數(shù)不變的情況下，喉部面積逐步減小對噴射器性能的影響。結(jié)果表明：噴射器可以在工作壓力、吸入壓力以及出口壓力增大時正常運行，出口流量也有少許增加。因此，可調(diào)式噴射器在一定程度上可以緩解噴射器因?qū)嶋H工作條件偏離設(shè)計點而導致的性能急劇下降，從而使其更具通用性。WANG等的研究表明：可調(diào)噴射器極大地提升了噴射器的性能，且噴射器面積AR (area ratio between the primary nozzle throat and ejector throat)比位置可調(diào)的效果更好。VARGA等對噴嘴面積比可變噴射器進行了研究。實驗中隨主軸位置和運行環(huán)境的變化，引射率變化區(qū)間為0.1~0.5。主軸可以很好的調(diào)整工作流體的流量，模擬與實驗結(jié)果相對誤差為7.7%。HOU等研究了噴針和噴嘴出口面積比、混合室長度、噴嘴尺寸對噴射器性能的影響。結(jié)果表明：噴嘴堵塞率對噴射器性能的影響很大。KIM等分析了一種噴針位于混合室的噴射器。噴針從噴嘴出口向噴嘴入口移動，改變喉部面積比。該噴射器在一定的運行工況下可以控制再循環(huán)量(引射流體與擴散室出口流量之比)，且喉部面積比對引射流體質(zhì)量流量有重要的影響。LI等發(fā)現(xiàn)隨噴針位置從0~7.5mm變化，在飽和和過熱條件下冷負荷分別從0增加到1.25和1.625kW。DENNIS等[使用TRNSYS研究了太陽能噴射制冷系統(tǒng)。模擬發(fā)現(xiàn)可調(diào)式噴射器相對傳統(tǒng)噴射器制冷量增加了8%~13%。ZHENG等研究了超臨界CO2噴射制冷系統(tǒng)，表明可調(diào)式噴射器可以適應運行工況的變化。
國內(nèi)外學者選用混合工質(zhì)對噴射器也進行了研究。YANG等研究了R600a-R601工質(zhì)組分對噴射器和噴射式功冷聯(lián)供系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明：噴射器中?損失最大，且工質(zhì)組分的變化可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)部件的性能。談瑩瑩等的研究表明：采用混合工質(zhì)R600-R290的噴射制冷循環(huán)可獲得低于-20℃的制冷溫度。解西敏發(fā)現(xiàn)選R245fa-R601a (40-60)功冷系統(tǒng)的熱力學綜合性能高于其他工質(zhì)，表明混合工質(zhì)能夠很好的代替純工質(zhì)。張于峰采用雙元工質(zhì)對R123-R142b、R123-R141b、R141b-R142b和R318-R141b進行了噴冷循環(huán)實驗研究。理論分析和實驗數(shù)據(jù)表明，應用雙元工質(zhì)施行低溫域蒸發(fā)，可在一般壓縮比下降低蒸發(fā)溫度約6 ℃左右，制冷系統(tǒng)性能COP(coefficient of performance)值提高10%以上。LI等的研究表明：R141b-R134a、R141b-R152a和R123-152a的COP和?效率均高于其他類型。通過分析優(yōu)化后的3種混合物的組分濃度可以推斷干、濕2種工作流體的混合物更適合冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。當混合物由較高比例的濕工質(zhì)和較低比例的干工質(zhì)組成時，系統(tǒng)將產(chǎn)生更高的輸出功。BUYADGIE等從理論上證明了二元流體和多元流體的應用使噴射制冷系統(tǒng)COP顯著增加。
現(xiàn)有的模擬研究表明：激波對噴射器的性能具有重要的影響，且SP可以影響激波的產(chǎn)生進而改變噴射器的性能。然而，噴嘴位置、混合室和擴散室角度對激波影響的研究未見進行。目前，結(jié)構(gòu)改進噴射器中變型線噴針和噴射器的研究較少，主要以可調(diào)式噴射器的研究為主。研究表明：可調(diào)式噴射器在一定程度上可以緩解噴射器因?qū)嶋H工作條件偏離設(shè)計點而導致的性能急劇下降，從而提升其變工況運行性能。但是，關(guān)于可調(diào)噴射器的設(shè)計方法仍沿用傳統(tǒng)噴射器，可調(diào)噴射器和噴針設(shè)計模型的研究工作有待進行。流量調(diào)節(jié)量與噴針位置的關(guān)系缺乏量化的設(shè)計方法。噴射器是一種引射和混合裝置。然而，ANSYS模擬中存在引射流體進口設(shè)置不合理，甚至不設(shè)置的問題，導致未出現(xiàn)引射和混合過程，造成模擬的不準確。關(guān)于噴射器中純工質(zhì)和混合工質(zhì)混合機理的研究有待進行。
5 實驗研究
眾多學者基于圖 12所示的兩種基本噴射制冷系統(tǒng)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化噴射器的實驗研究。
表 3介紹了實驗研究中溫度、壓力、工質(zhì)、噴針和噴嘴位置的情況，以為后續(xù)的實驗研究提供參考。
圖 12 不同噴射式制冷系統(tǒng)
表 3 實驗研究
基于圖 12(a)冷凝器和節(jié)流閥為特征制冷系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)優(yōu)化噴射器的研究。APHORNRATANA和EAMES[14]研究了噴嘴在混合室可軸向移動的噴射式制冷系統(tǒng)，分析可調(diào)噴嘴噴射器對系統(tǒng)COP和制冷量的影響。研究指出單一優(yōu)化噴嘴位置，不能滿足所有的運行工況。實際運行中NXP可以根據(jù)進出口壓力、溫度來調(diào)控。PEREIRA等首先研究了采用異丁烷(R600a)的可調(diào)噴射式制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用電加熱器加熱工作流體，通過噴針的移動調(diào)節(jié)面積比和噴嘴出口位置。結(jié)果表明：相同條件下，可調(diào)式比傳統(tǒng)噴射制冷系統(tǒng)COP提高80%。CHANDRA等[25]研究了EAMES[提出的動量變化率恒定模型制作的變型線噴射器，結(jié)果表明：該模型可以消除激波使系統(tǒng)性能提高。MA等實驗研究了一種適用于太陽能系統(tǒng)的新型蒸汽噴射制冷機。結(jié)果表明：隨NXP增加，臨界背壓明顯增加。
基于圖 12(b)分離器為特征制冷系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后噴射器的研究。LI等研究了可調(diào)式噴射器在多蒸發(fā)制冷系統(tǒng)中的應用，提出了臨界面積比作為評價壓力回收性能的指數(shù)，并且分析了工作流體、引射流體壓力對升壓比、引射率和臨界面積比的影響。結(jié)果表明：增加二次流體壓力和降低一次流體壓力，可以得到更高的引射率。升壓比的趨勢則相反。LIN等研究了可調(diào)式噴射器在多蒸發(fā)器制冷系統(tǒng)中的應用。研究了冷負荷變化時，可調(diào)式噴射器BAR、壓力回收率PRR和相對壓力回收比RPRR等性能參數(shù)的關(guān)系。LIU等研究了可調(diào)式噴射器在超臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)中的性能，分析了噴射器尺寸、運行工況和壓縮機頻率對系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明：噴射器代替節(jié)流閥可以提高系統(tǒng)性能。當噴嘴出口到混合段距離是混合室長度的3倍時，COP達到最大值。CHEN等研究了可調(diào)式噴射器在CO2熱泵系統(tǒng)中的應用，分析了噴嘴喉部面積、工作流體壓力、背壓和引射流體壓力對引射率的影響。結(jié)果表明：其具有很好的性能，且能滿足較大的工況運行區(qū)間。JEON等研究了以R410a為工質(zhì)的噴射制冷系統(tǒng)，分析了壓縮機速率、出口溫度、運行壓力、噴嘴喉部尺寸和混合室尺寸的影響。根據(jù)冷卻季節(jié)性能因素確定了最佳混合截面直徑為9mm。LIU等研究了超臨界CO2制冷系統(tǒng)，根據(jù)實驗和模擬研究發(fā)展了一種兩相噴射器模型確定動力和抽吸噴嘴絕熱效率。
根據(jù)以上研究可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化噴射器具有很好的性能。但是，單一優(yōu)化噴嘴位置，不能滿足所有的運行工況。實驗研究主要集中于NXP和SP對噴射器和系統(tǒng)性能的影響。然而，SP和NXP的調(diào)控策略有待完善和實驗驗證。由于實驗研究成本較高的特點，噴嘴喉部尺寸、擴散室和混合室角度、長度對性能影響的實驗研究欠缺。超聲速和亞音速噴射器的對比研究有待進行，以明晰一次和二次流體速度差對引射和混合過程的影響。目前，實驗研究均采用純工質(zhì)，混合工質(zhì)的研究較缺乏。通過實驗與模擬優(yōu)化的研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化噴射器的優(yōu)化較為復雜，單純采用實驗或模擬的方法很難有較大的突破，故應將實驗研究與模擬優(yōu)化兩種方法有機結(jié)合。實驗研究的數(shù)據(jù)結(jié)果對模擬優(yōu)化中流動情況的判斷，模型的建立與調(diào)整等多方面具有指導修正作用；而采用模擬優(yōu)化得到的結(jié)果規(guī)律也可以提高實驗研究的效率，兩種方法結(jié)合會更有效的得到高性能噴射器結(jié)構(gòu)及SP和NXP的調(diào)控策略。
6 結(jié)論
結(jié)構(gòu)優(yōu)化噴射器的出現(xiàn)，實現(xiàn)了設(shè)計維度的部分自由化，初步解決了傳統(tǒng)噴射器中無法克服的問題，如采用噴針擴大其運行范圍和變型線優(yōu)化噴射器內(nèi)部流動。綜合現(xiàn)有研究情況，該技術(shù)呈現(xiàn)以下3個發(fā)展趨勢：
(1) 可調(diào)式噴射器可以適應更大的運行范圍和更復雜的運行工況，逐漸成為噴射器研究的主要方向。然而，現(xiàn)有的設(shè)計方法仍沿用傳統(tǒng)噴射器的方法，噴射器研究的框架有待拓展，核心的物理模型和數(shù)學工具需要隨之更新。現(xiàn)有的實驗研究中，主要集中于NXP對噴射器性能的影響，噴嘴喉部尺寸、擴散室和混合室角度、長度對性能影響的實驗研究有待進行。
(2) 可調(diào)式噴射器的模擬研究包括尺寸參數(shù)和內(nèi)部流動特性的研究。其中，k-ω-SST和Realizable k-ε模型與實驗結(jié)果符合較好。內(nèi)部流動特性的研究主要包括噴針的影響和激波的產(chǎn)生。結(jié)果表明：采用噴針可以有效的消除激波，提高噴射器的性能。隨著研究的深入，變型線和可調(diào)噴射器的集成形式將受到更多的關(guān)注。
(3) 大量研究表明：工質(zhì)的種類對系統(tǒng)性能有重要的影響。眾多學者采用純工質(zhì)、混合工質(zhì)分析了傳統(tǒng)噴射器的性能。但是，變型線和可調(diào)噴射器的研究很少涉及混合工質(zhì)。而且，現(xiàn)有研究主要進行了混合工質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對負荷變化的影響，尚未對噴射器內(nèi)部的混合工質(zhì)流動特性進行探討。
符號說明：
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