[发明专利]一种超声速喷射器设计和评价方法

说明书

本发明涉及一种超声速喷射器设计和评价方法，在方法中，假设虚拟喷嘴，设定虚拟喷嘴除流量之外，其入口处的所有参数和一次流体的状态完全相同，根据虚拟喷嘴的喉部面积、虚拟喷嘴出口的面积和扩压后的压力，分别计算喷射器的喉部面积、混合腔截面积和喷射器出口背压；根据虚拟喷嘴出口的面积和喷射器混合腔的截面积的比值关系，和虚拟喷嘴扩压后的压力和出口压力的比值关系对喷射器进行评价。本发明通过“等价能量”和“等价能量转换”设计超声速喷射器，同时，该方法在评价超声速喷射器方面具有一定的优势。

技术领域

本发明涉及喷射器领域，尤其涉及一种超声速喷射器设计和评价方法。

背景技术

喷射器用途十分广泛，在包含有喷射器的系统中，喷射器往往都是最重要的核心部件之一。由于喷射器在含有喷射器的系统中的地位十分重要，因此，喷射器受到了广泛的研究，主要有三个方面，一是喷射器内部流动的理论研究；二是通过设计方法的改进来优化喷射器的工作性能；三是开展相关的实验研究进行相应的验证。

超声速喷射器是喷射器中最复杂的，其内部的工作过程十分复杂，工作机理尚未足够清晰，涉及超声速流动、激波、湍流混合和两相流动等因素，使得喷射器的设计优化难度较大，而且需要较多的评价指标来评估喷射器。

研究学者先后采用了等面积混合、等压混合、等动量变化率以及计算流体力学(CFD)的方法来研究喷射器的设计和工作过程。在众多的喷射器研究中，等压混合结合等面积混合的理论计算和设计方法受到了最多的研究和最广泛的应用。等压混合理论假定工作流体和引射流体的混合过程是在一定的压力下发生的，并且该压力保持稳定，直到混合结束。等面积混合理论假定混合过程是在一个截面积相等的圆柱段完成。

在评价喷射器方面，最常用的评价指标有引射系数(二次流体(引射流体)和一次流体(工作流体)的质量流量的比值)、性能系数(COP)、面积比(混合室截面积与喷嘴喉部截面积的比值)和提升压力比(喷射器背压和蒸发压力的比值)。其中，引射系数和性能系数COP是最基本的评价指标；面积比是喷射器最重要的结构尺寸；提升压力比用于衡量二次流体从一次流体获得的克服喷射器背压的能力。虽然面积比和提升压力比都能够作为评价指标，但是无法确定其好坏的程度，尤其当涉及到多个不同喷射器的时候。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种超声速喷射器设计和评价方法。

具体方案如下：

一种超声速喷射器设计方法，已知喷射器中一次流体的流量、温度、压力和焓值，二次流体的流量、温度、压力和焓值，则喷射器的喉部面积、混合腔截面积和喷射器出口背压的计算方法为：

假设虚拟喷嘴，所述虚拟喷嘴包括喷嘴入口、喷嘴喉部、喷嘴出口、激发部和扩压段，其中虚拟喷嘴的喷嘴入口的流量m_v的计算公式为：

其中，m_p表示一次流体的流量，m_e表示二次流体的流量，T_p表示一次流体的温度，T_e表示二次流体的温度；

设定虚拟喷嘴的喷嘴入口处的温度、压力和焓值均分别与一次流体的温度、压力和焓值相同；

根据虚拟喷嘴的喉部面积、虚拟喷嘴出口的面积和扩压后的压力，分别计算喷射器的喉部面积、混合腔截面积和喷射器出口背压。

进一步的，根据虚拟喷嘴的喉部面积计算喷射器的喉部面积的过程为：

(1)根据下式计算虚拟喷嘴的喉部面积A_vt：

其中，P_p表示一次流体的压力，R表示气体常数，k表示绝热指数；