鄭金鳳，于蓬,2，薛彬，魏添，裴寶浩

（1.271100 山東省 濟南市 濟南嬴氫動力科技有限公司；2.271100 山東省 濟南市 萊蕪技師學院；3.271100 山東省 濟南市 山東明宇新能源技術有限公司；4.264670 山東省 煙臺市 煙臺職業(yè)學院）

0 引言

引射器是一種新型的流體機械，因其具有結(jié)構簡單、運行可靠、成本低廉、操作方便等優(yōu)勢，在各行各業(yè)得到了廣泛應用，同時也表現(xiàn)出越來越強的技術優(yōu)勢[1-3]。因具有良好的通用性，引射器已被廣泛應用于燃燒裝置、動力、石油化工、制冷、供熱以及礦產(chǎn)開采等各個領域。根據(jù)具體需求的不同，引射器在結(jié)構和性能上也會存在著一定的差異。

引射器的工作原理主要是通過高壓流體的高速射流實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，依靠高壓氣體經(jīng)過噴嘴時產(chǎn)生的高速射流形成低壓區(qū)，進而引射低壓氣體，并在引射裝置內(nèi)進行混合，最終實現(xiàn)對低壓氣體增加壓力的目的，此過程不消耗機械能。引射器誕生于19 世紀，為維持蒸汽機冷凝器中的真空狀態(tài)發(fā)明了超聲速引射器，那時對超聲速引射器的幾何結(jié)構等研究不充分，通常根據(jù)各自的經(jīng)驗設計制造。直到20 世紀40 年代，隨著流體力學和空氣動力學的不斷進步和發(fā)展,引射器的技術設計理論被科學家廣泛關注，開始了有關引射器的研究和設計[4-5]，歷經(jīng)幾十年的研究和發(fā)展，逐漸形成了以理論計算、數(shù)值模擬和實驗研究等為主導的引射器設計方法。

引射器的結(jié)構雖然簡單，但影響引射性能的結(jié)構因素卻有很多，例如：噴嘴距、混合室長度、混合室直徑、擴壓室擴散角度等[6]。對引射器而言，某個結(jié)構參數(shù)的變化會導致引射性能的迅速改變，從而直接影響引射器的工作效率，因此研究結(jié)構參數(shù)對引射器性能的影響以及引射器的結(jié)構設計和優(yōu)化具有重要意義。

1 引射器模型的建立與工作原理

引射器是一種機械結(jié)構的增壓裝置，其結(jié)構形狀如圖1 所示，主要部件包括工作噴嘴、收縮管、混合室、擴壓室、緩沖室。進入引射器內(nèi)的流體按照壓力劃分為高壓工作流體和低壓引射流體。工作時，在引射器內(nèi)部，高壓工作流體經(jīng)過噴嘴高速射出后會在噴嘴出口處出現(xiàn)一個負壓區(qū)，這個負壓區(qū)與引射流體之間存在巨大的壓力差，使引射流體被直接吸入引射器內(nèi)。兩種流體在混合室內(nèi)發(fā)生能量交換并混合均勻，再流進一個擴壓室內(nèi)，在擴壓室內(nèi)可實現(xiàn)增壓降速的目的，之后從緩沖區(qū)流出進入電堆。

圖1 引射器結(jié)構示意圖Fig.1 Structure of ejector

2 引射器模型的網(wǎng)格劃分與參數(shù)設置

CAD 繪制的引射器二維模型導出為*.iges 格式文件，再將*.iges 文件導入ICEM CFD 軟件中對進出口進行設置和非結(jié)構網(wǎng)格劃分。全局網(wǎng)格設定中，比例因子設定為0.03，最大網(wǎng)格尺寸為0.008。網(wǎng)格類型選擇方面，表面網(wǎng)格類型選用All Tri 結(jié)構，體網(wǎng)格類型選用Tetra/Mixed 結(jié)構。

完成網(wǎng)格劃分后，將生成的*.msh 網(wǎng)格文件導入Fluent 18.0 中進行參數(shù)的設置與求解。首先查看網(wǎng)格數(shù)、節(jié)點數(shù)、面數(shù)，然后檢查網(wǎng)格的最小體積和最小面積，確保二者均不是負數(shù)，再進行參數(shù)及求解設置。設置工作流體為純氫氣體，仿真中采用的是Pressure-Based 求解器，選擇Gravity 設置Y 方向重力加速度為-9.81 m/s2，X 方向和Z 方向保持默認值，湍流模型選擇k-ε（2 eqn），其他參數(shù)設置如表1 所示。

表1 邊界條件設置Tab.1 Boundary condition setting

3 混合室長度對于引射系數(shù)的影響

混合室長度可直接影響能量交換以及氣體的混合過程，從而影響引射器的引射性能。為深入研究不同混合室長度對引射系數(shù)的影響，仿真過程中對模型的選擇為：在現(xiàn)有引射器基礎上，僅改變混合室長度參數(shù)，其他參數(shù)保持不變。引射器結(jié)構尺寸參數(shù)如表2 所示。選取混合室長度分別為5，10，15，20，25 mm，對5 種混合室長度分別建立引射器模型并利用Fluent 18.0 仿真，得到不同長度下的速度云圖，如圖2 所示。

表2 燃料電池引射器結(jié)構尺寸Tab.2 Structural dimensions of fuel cell ejector

從圖2 可以看出，工作流體在經(jīng)過噴嘴收縮段時，速度逐漸增加，經(jīng)過臨界面時速度達到極值，此時巨大的壓力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w動能。工作流體從噴嘴出口高速射出時，徑向速度逐漸降低而軸向流速基本保持不變。被吸入的引射流體在混合室內(nèi)與工作流體逐漸混合均勻，從而逐漸擴大至充滿整個混合室，并且兩股流體在混和室內(nèi)相互混和進行動量和能量交換，兩者速度逐步接近，流動幾乎成為均勻流，至混合室出口進入擴壓室，兩者的速度基本達到一致，并產(chǎn)生正激波，使得混合流體速度下降。最終實現(xiàn)增加流體壓力、降低流體速度的目的。之后在緩沖室稍作緩沖，流入電堆內(nèi)，為電堆持續(xù)提供穩(wěn)定的流體。

圖2 不同混合室長度下引射器內(nèi)流體速度變化云圖Fig.2 Flow velocity variation in ejector with different mixing chamber lengths

本試驗采用的性能指標為引射系數(shù)，引射系數(shù)是指在一定工況下單位質(zhì)量的高壓工作流體通過引射器時所能吸入的低壓流體的流量，其在數(shù)值上等于低壓被吸入流體的質(zhì)量流量mk與高壓工作流體的質(zhì)量流量mp之比，計算公式為

式中：μ——引射系數(shù)；mk——低壓引射流體的質(zhì)量流量，kg/s ；mp——高壓工作流體的質(zhì)量流量，kg/s。

經(jīng)過計算，得到混合室長度與引射系數(shù)的相關曲線，如圖3 所示。

圖3 混合室長度對引射系數(shù)的影響Fig.3 Effect of mixing chamber length on injection coefficient

由圖3 可知，當混合室長度在5～15 mm 時，引射系數(shù)幾乎呈線性增大；當混合室長度超過15 mm 后，引射系數(shù)幾乎不再發(fā)生大的改變，原因主要有以下3 點：（1）當混合室長度過小時，引射器沒有足夠的長度維持負壓狀態(tài)，不能夠充分引射氣體進入引射器；（2）在速度方面，高壓氣體和低壓氣體不能夠在混合室內(nèi)部充分碰撞，無法達到速度的充分混合；（3）混合室長度在5～15 mm 時，隨著混合室長度增加，存在引射負壓，能夠充分地將兩種流體吸入到引射器裝置內(nèi)部，保證兩種流體的充分混合，使其完成能量交換，并且在速度上達到基本一致，從而使引射系數(shù)達到最大值。

4 結(jié)論

當10 kW 氫燃料電池引射器混合室的長度為15 mm 時，對應的引射系數(shù)引射系數(shù)最大為15.3，長度過小引射系數(shù)較小，長度過大引射系數(shù)幾乎不再變化。這是因為長度過小，兩種流體在混合室內(nèi)得不到充分的能量交換；長度過大，增加了阻力損失。據(jù)此推斷出混合室長度為15 mm 時，引射器的性能較好，工作效率最高。