跨临界CO2喷射器模拟研究综述

刘 方

(上海电力大学 能源与机械工程学院, 上海 200090)

人们对环境影响的日益关注,使采暖、通风、空调和制冷领域发生了重大变化[1]。从高全球变暖潜能值工质,向环保型制冷剂的转变是实现碳中和的一个关键里程碑。CO2是蒸气压缩系统工质替代中最有潜力的天然工质之一,其无毒性、不易燃性和低成本特点使其在许多蒸气压缩循环系统中得以使用。此外,CO2还可以用于提高新能源微电网的有效渗透率和热泵储能系统的稳定性[2-3]。在供暖方面,热泵的能效是传统供暖系统的2～4倍,到2050年,热泵的安装数量需要增加10倍[4]。因此,采用喷射器回收膨胀功是提高跨临界CO2蒸气压缩制冷系统性能系数(Coefficient of Permormance,COP)的有效措施之一[5]。

喷射器是一种利用高压流体抽吸低压流体的装置,主要由主动喷嘴、引射喷嘴、混合室和扩压室组成。喷射器工作原理如图1所示[6]。其中,pm为主动喷嘴入口压力,pt为喷射器喉部压力,pb为引射喷嘴出口压力,pmix为混合室压力,pd为扩压室出口压力。喷射器具有结构简单、操作可靠和成本低等优点,被广泛应用于化学工程、核反应堆、电厂、石油和制冷工业中[7-9]。跨临界CO2蒸气压缩系统中喷射器性能的提升近年来成为研究的热点[10]。

图1 喷射器工作原理

CO2喷射器气液两相流中存在热力学非平衡状态和输运非平衡状态两种。热力学非平衡状态分别与液体或气体的过热或过冷状态有关,输运非平衡状态与各相温度、压力或速度有关。CO2压焓图中饱和线和均相成核线[1]如图2所示。

图2 CO2压焓图中的饱和线和均相成核线示意

由图2可知,洋红线表示喷射器主动喷嘴从不同初始状态点(近临界和远离临界)的等焓膨胀过程;近临界工况下主动喷嘴内气泡成核几乎是瞬时的,而远离临界工况下由于非平衡效应相变延迟;在均相成核线以外,任何扰动都会缩短相变延迟[11-12]。喷射器内流场复杂,因此设计可靠高效的喷射器具有很大挑战。研究表明,基于喷射器CFD模型优化喷射器内部几何结构能够提高喷射器效率[13],因此目前亟需开发用于准确设计CO2喷射器的先进模型。

文献[14-15]建立了CO2喷射器0-3维模型,模拟研究了主动流入口压力为高、中、低下的CO2两相流喷射器性能。文献[6]建立了跨临界CO2两相流喷射器均相平衡一维模型,由主动喷嘴、引射喷嘴、混合室和扩压室流动子模型耦合而成,较好地预测了超临界入口压力下主动流质量流率;文献[9]基于实验数据,采用一维模型确定了喷射器各部件效率,其中主动流入口为超临界压力工况,发现主动喷嘴、引射喷嘴和混合室的效率受工况、喷射器内部结构和质量流量影响显著。文献[11]建立了跨临界CO2喷射器一维稳态绝热理论模型,提出了能量转化过程中的热力学非平衡修正方程。文献[16]采用一维延迟平衡模型(Delayed Equilibrium Model,DEM)模拟预测了缩放喷管中CO2临界质量速率。但一维模型无法反映喷射器内部实际发生的真实而详细的物理现象,而计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)建模方法通常能提供更准确、可靠的描述。已报道的CO2喷射器CFD模型包括均相平衡模型(Homogeneous Equilibrium Model,HEM)[17-18]、均相弛豫模型(Homogeneous Relaxation Model,HRM)[19]、混合模型(Mixture Model)[20]、非均相模型[21]、均相非平衡沸腾模型(Homogeneous Nonequilibrium model with Bioling Phenomennon,HNB)等[22]。HEM适合临界点以上的高压主动流,对于较低压力和温度,HRM优于HEM。文献[13]基于喷射器HEM优化了混合室长度和直径、预混合室长度、主动喷嘴出口直径和扩散角、引射喷嘴收缩角,但没有考虑喷射器内CO2两相流非平衡现象。总之,已有研究基于HEM模拟了带喷针的可调式喷射器[23]和旋流喷射器[24],但很难确定所有工况下喷针的位置。文献[21]根据空化相变及沸腾相变理论建立了两相流CO2喷射器非均相模型,发现在超临界和亚临界压力工况下,主动流流量和引射压力模拟值与实测值误差较小,气体比液体更容易在喷嘴段被加速,但尚未验证引射流质量流速。文献[25]采用新型非平衡蒸发空化CFD模型模拟研究了跨临界CO2喷射器内的闪蒸流动,其中主动喷嘴入口压力为超临界压力。

文献[26-27]提出了处理CO2喷射器模拟中非平衡弛豫的弛豫法和混合法。弛豫法根据工况引入弛豫时间,但需要通过实验调整弛豫时间的经验参数。文献[28]基于跨临界CO2两相喷射器主动流质量流速的实验数据改进了均相弛豫模型,提高了主动喷嘴质量流量模拟的精度,但该HRM是否适用于其他几何结构的喷射器尚待验证。混合法对流动进行了更真实的物理表述,如考虑了蒸发和冷凝过程,并使用气体和液体在亚稳态条件下的性质。文献[12]采用混合模型模拟两相流喷射器,在喷射器内超音速CO2的CFD模拟中考虑实际流体物性、相间滑移速度、相间界面传热传质以及两相声速,建立的相变模型考虑空化相变和沸腾相变,比均相平衡模型具有更好的逼真度。文献[20]通过模拟研究CO2喷射器,发现混合模型能够很好预测超临界压力下主动流质量流量,但低压区尚未验证。文献[26]基于Mixture模型模拟研究了可调式喷射器内部几何结构参数(喉部直径)对其性能的影响规律。文献[27]基于Mixture模型模拟了气液相变速率,发现与HEM模拟相比,混合模型模拟收敛较慢。文献[22]基于均相平衡模型和混合法建立了HNB,考虑蒸发和冷凝速率,能较好预测亚临界工况喷射器内CO2膨胀沸腾相变过程主动流质量流量,但尚未考虑预混合区空化相变。

表1为现有CO2喷射器CFD模型在不同主动喷嘴入口压力(pmotive)下预测的主动流和引射流的质量流速与实验值相比的平均误差,pcrit为临界压力,pb=5.9 MPa。

表1 CO2喷射器CFD模型预测的主动流和引射流质量流速的平均误差 单位:%

由表1可知,虽然已有非平衡模型对主动流质量流带进行了模拟且预测误差较小,但引射流质量流速仍然没有被任何现有模型很好地描述。这是因为主动流质量流速主要受上游和下游压力的影响,因此可以通过多种模型来预测;而引射流质量流速是由主动流引起的,对当地流动更为敏感,如当地速度、干度、湍流和压力。这意味着即使能很好地预测出主动流的整体质量流速,但如果不能正确地再现主动流当地流动现象,也会造成引射流预测误差。并且,主动流和引射流产生的原理不同,主动流质量流速主要由热力学、相变和主动压力决定,而引射流流质量流速主要受湍流、当地速度和多相动量相互作用的控制。

值得注意的是,现有的喷射器CFD模拟基于单一模型,缺乏当地压力、速度场和干度的实验验证。此外,上述模拟研究都忽略了CO2喷射器内润滑油的存在。实际上,压缩式制冷系统实际运行中润滑油会进入喷射器,影响流体物性和相变流动过程。CO2喷射器内气液相变弛豫时间受流体物性等因素影响,而两相流相变弛豫时间影响主动流膨胀过程、激波产生、混合过程、速度场、压力分布和干度分布[28]。但从现有研究来看,润滑油对CO2喷射器内相变延迟和多场分布等的影响规律尚不清楚。

喷射器内主动流和引射流产生的原理不同;现有CO2喷射器数值模型多为单一模型,不能精确预测引射流流量,且缺乏关于喷射器内当地压力、速度场和干度等的实验研究,忽略了润滑油的存在,喷射器内润滑油对CO2相变流动过程和出口干度等性能效率的影响规律尚不清楚。这些问题为后续研究指明了方向。

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