一种多级多喷管引射器分层优化方法与流程

本发明涉及引射技术领域，具体涉及一种多级多喷管引射器分层优化方法。

背景技术：

引射器是一种利用流体喷射混合作用进行质量和能量传递的力学装置。引射器没有机械部件，使用维护方便，在风洞驱动装置、发动机高空试车台、高能化学激光器压力恢复系统、制冷设备、油气输送和燃气节能等军民用领域有重要应用价值。

引射器用于抽制真空时，主要性能指标为盲腔静压；而用于抽吸低压被引射气流时，主要性能指标是引射效率和增压比。

中心引射器结构简单，但混合室长、效率低、噪声高，在风洞中基本不使用。国内外早期建设的引射式风洞基本都采用环形引射，混合室较短，但摩擦损失大，引射效率较低。为了改善引射气流与被引射气流的混合情况，国外提出了多喷管引射技术，由于增加了气流接触面积，可有效缩短引射器混合距离，显著提高引射效率。虽然近年来多喷管引射器已开始在国内外多座新建的大型高速风洞中应用，但其工程设计仍然主要依赖传统单喷管引射器设计的一维理论模型和经验修正方法。

对于多级多喷管引射器而言，此类设计方法的缺陷是显而易见的：一维简化方法不能考虑引射喷管形状和布局的影响，无法给出引射器内流动结构、摩擦和气流混合损失以及达到某种混合程度所需的混合距离等重要信息；以往单喷管中心引射器和环形引射器设计经常采用各种经验修正系数，但经验系数必须通过大量实验获得，而且适用范围局限性大，相比之下，多级多喷管引射器结构参数和气流参数更多，耦合影响更复杂，很难获得合理可靠的经验系数。实际上，目前风洞引射器仍然是一种保守的任务能力型设计，主要关注引射器的抽吸能力而忽略其引射效率，普遍存在能耗大、成本高的突出问题。由于缺乏合理可行的多级多喷管引射设计方法，造成风洞调试确定的引射器实际运行参数与理论设计值往往存在明显偏差，给工程设计带来很大技术风险，难以实现引射效率的优化。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题为：克服现有引射器设计方法无法考虑喷管形状和布局、预测精度不高、引射效率较低的不足，提供一种多级多喷管引射器分层优化方法。

本发明采用的技术解决方案如下：

一种多级多喷管引射器分层优化方法，包含以下步骤：

(1)对多级多喷管引射器进行总体参数优化

(1.1)计算总增压比

首先确定总增压比；所述总增压比为最后一级引射器出口总压与第一级引射器被引射气流总压之比；

(1.2)确定引射级数和单级增压比

引射级数具体为：

单级增压比其中，n为引射级数，C_r为总增压比；

(1.3)计算引射效率，优选确定引射参数；所述引射参数包括引射面积比以及引射马赫数；所述引射面积比和引射马赫数为预设值；

将引射参数代入到引射器性能方程中，计算各级引射总压、引射气流流量和混合室出口速度系数；判断引射总压是否超过气源许用条件，如超过气源许用条件则增大该级的引射面积比或减小该级的引射马赫数，重新代入到引射器性能方程中，计算该级引射总压、引射气流流量和混合室出口速度系数，直到各级引射总压均满足气源许用条件，之后计算各级引射效率和总引射效率；所述各级引射效率即为该级被引射气流流量与该级引射气流流量的比值；所述总引射效率为第一级被引射气流流量与各级引射气流流量之和的比值；

所述被引射流量是指：通过风洞运行总压和马赫数计算得到所述被引射流量；

以总引射效率最大值对应的各级引射面积比和引射马赫数组合为第一层次的优化结果，即多级多喷管引射器总体参数优化结果；

(2)引射喷口布局优化

(2.1)根据步骤(1)得到的引射面积比，确定具有不同喷口数和布置形式的引射喷口布局；

(2.2)根据预设的引射器混合室直径和长度，采用数值模拟方法，在相同增压比、和相同被引射气流总压条件下，比较不同引射喷口布局的引射效率；

(2.3)选定引射效率最高的引射喷口布局形式，作为第二层次的优化结果，即为引射喷口布局优化结果；

(3)增强混合引射喷管参数优化

(3.1)以步骤(2)优化结果为基础，设计几种不同齿数、不同侵入角的引射喷管结构；

(3.2)采用数值模拟方法，在相同增压比和相同被引射气流总压条件下，比较几种引射喷管结构的引射效率；

(3.3)选定引射效率最高的引射喷管几何参数，作为第三层次的优化结果，即为增强混合引射喷管参数优化结果；所述引射喷管几何参数是指齿数和侵入角。

所述引射面积比的取值范围为α＝0.2-0.5，引射马赫数M′为1～4。

本发明与现有技术相比，优势在于：

(1)第一层次优化保留了传统一维简化方法的优点，可快速确定相对合理的优化初值范围，进一步地，第二、三层次优化又克服了传统方法无法考虑引射喷管形状和结构布局的缺点，实现了引射器高效和精细设计的结合。

(2)第二、三层次优化主要采用数值模拟方法获得引射器流场和性能，数值模拟方法采用的数学物理模型相比现有引射器工程设计采用的一维简化模型更完善和精确，因此本发明可显著减小引射器现有设计方法与工程调试的偏差，降低技术风险，节省研制成本。

(3)本发明采用的多层次综合优化方案获得的引射器引射效率更高，可有效提高引射器运行经济性，降低系统长期运行成本。

附图说明：

图1是多级多喷管引射器分层优化方法流程图；

图2是两级引射器总体参数估算(M＝5，P₀＝0.5MPa)；其中，图2(a)为一级引射气流流量与面积比关系，图2(b)为一级引射总压与面积比关系，图2(c)为二级引射气流流量与面积比关系，图2(d)为二级引射总压与面积比关系；

图3是典型引射喷口布局形式；其中，图3(a)为4喷口布局，图3(b)为8喷口布局，图3(c)为9喷口布局，图3(d)为12喷口布局；

图4是优选的引射喷管结构及分布；图4(a)为引射喷管结构示意图，图4(b)为一级引射喷管分布，图4(c)二级引射喷管分布；

图5是锯齿形引射喷管；

图6是两级锯齿形多喷管引射器。

具体实施方式：

如图1所示，本发明提出了一种多级多喷管引射器分层优化方法，包含以下步骤：

(1)对多级多喷管引射器进行总体参数优化

(1.1)计算总增压比

首先确定总增压比，所述总增压比为最后一级引射器出口总压与第一级引射器被引射气流总压之比。

被引射气流总压一般是引射器设计的已知条件，如果设计条件未提供，其值可通过理论估算、数值模拟或实验测量获得。超声速风洞引射器安装在亚扩段，被引射气流总压P₀₁可按下式估算：P₀₁＝P₀σ_s/1.8，其中P₀为风洞前室总压，σ_s为相应风洞马赫数下的正激波后总压与正激波前总压之比，1.8为考虑各种损失的经验系数。

(1.2)确定引射级数和单级增压比

若引射器增压比要求很高，必然使得引射面积比、引射马赫数和引射气流总压很大，在结构阻塞、气流冷凝、气源压力和运行经济性等方面会存在问题。因此，在大增压比要求下，一般采用多级引射。引射器级数增多时，级间参数匹配工作量成指数倍增加，设计和调试难度很大，一般最多采用3-4级，可按下表进行选择：

对于多级引射，一般认为按增压比均匀分配时整体性能较优。单级增压比其中，n为引射级数，C_r为总增压比。

(1.3)计算引射效率，优选确定引射参数

所述引射参数包括引射面积比以及引射马赫数；所述引射面积比和引射马赫数为预设值；引射面积比的取值范围为α＝0.2-0.5，引射马赫数取值范围为M′＝1～4。

根据引射器流动特点，引入以下几点基本假设：

a.引射器内流动是稳态一维流，混合室壁面为绝热壁；

b.引射气流和被引射气流均为理想气体，在混合室入口都为均匀气流；

c.不考虑引射形式差别及具体混合过程，假定混合室足够长，出口为完全混合的均匀平直理想气流，其物性参数由入口确定；

d.摩擦损失相对混合损失较小，不计引射器壁面摩擦；

e.引射气流和被引射气流总温差别不大，总温比满足：0.25<T′_0i/T_0i<4。

这些假设通常与实际情况比较接近，能大大简化理论推导过程，得出的结论具有一定的可信度，反映了引射器的主要工作特性，加上适当的经验修正可用于指导引射器的设计和分析。

在上述假设前提下，根据质量守恒方程和动量守恒方程关系可推导得到引射器性能方程。所述引射器性能方程包括基本性能方程和临界状态方程。超声速引射气流进入混合室后继续膨胀，亚声速被引射气流受压缩速度增大，在某一截面达到声速时，此截面称为临界截面，被引射气流流量最大，引射器工作状态称为临界状态。因此，临界状态方程是基本性能方程的特例。

优选引射参数和计算引射效率的具体方法为：将引射参数代入到引射器性能方程中，计算各级引射总压、引射流量和混合室出口速度系数；判断引射总压是否超过气源使用条件，如超过气源使用条件则增大该级的面积比或减小该级的引射马赫数，重新代入到引射器性能方程中，计算各级引射总压、引射流量和混合室出口速度系数，直到各级引射总压均满足气源使用条件；之后计算各级引射效率和总引射效率；所述各级引射效率即为该级被引射气流流量与该级引射气流流量的比值；所述总引射效率为第一级被引射气流流量与各级引射气流流量之和的比值；所述被引射气流流量可通过风洞运行总压、马赫数和风洞喷管面积计算得到。

以总引射效率最大值对应的各级引射面积比和引射马赫数组合为第一层次的优化结果，即多级多喷管引射器总体参数优化结果。

(2)引射喷口布局优化

(2.1)根据步骤(1)得到的引射面积比，确定具有不同喷口数和布置形式的引射喷口布局；

多喷管引射器将尺寸较大的引射喷管分成当量面积的多个小尺寸喷管，大大增加了气流接触面积，加快了气流掺混过程，缩短了所需的混合室长度，从而提高了引射效率。引射喷管的数量和几何位置对引射性能有较大影响。研究表明，只要不使引射气流和被引射气流在管道中压力损失明显增加，且结构布置允许的情况下，增加引射喷管数量是有利的。随着喷管数量的增加，引射器的噪声声压级也相应下降。一般说来，引射喷管数量增加一倍，噪声声压级可降低3dB-4dB。引射喷管布置应考虑和混合室壁面及喷管之间的相互干扰，减小引射管路对上一级被引射气流的阻塞，避免多喷管结构发生共振。多喷管引射器引射进气管道及其支臂对于被引射气流的阻塞作用不容忽视，因此一般吸入室面积要求加大，前后采用锥段过渡。吸入室内引射进气管道及其支臂应尽量交错布置，避免分布在同一管道截面上导致阻塞面积过大。

(2.2)根据预设的引射器混合室直径和长度，采用数值模拟方法，在相同增压比、相同被引射气流总压以及相同被引射流量的条件下，比较不同引射喷口布局的引射效率；

混合室的截面形状有柱形和锥形，一般混合室出口为亚声速且速度较小时，可用锥形混合室，出口流量系数以上采用柱形混合室；如果出口为超声速，混合室一般设计为锥形收缩段和柱形第二喉道段两部分。相同增压比下，锥形混合室相比柱形混合室能获得更高的引射效率，但在大压缩比下容易达到临界状态，偏离设计点时性能下降明显。混合室长度直接影响引射器的效率，混合室过短气流混合不均匀，会增加扩压器损失，过长会增加摩擦损失，降低引射效率。混合室长度与引射器几何参数及流动参数密切相关，目前还没有有效的预测方法，只能根据实验经验选取，一般柱形混合室长度可取为当地直径的5-8倍。多喷管引射器的混合室长度可根据喷管数等条件适当减小。

(2.3)选定引射效率最高的引射喷口布局形式，作为第二层次的优化结果，即为引射喷口布局优化结果。

(3)增强混合引射喷管参数优化

(3.1)以步骤二优化结果为基础，设计几种不同齿数、不同侵入角的引射喷管结构；

根据现代湍流拟序结构和流动稳定性理论的研究成果，控制剪切层发展从而影响混合特性也是提高引射性能有效途径。混合增强技术种类很多，适用于不同流动特点和使用要求。在可压缩流动中，相对展向旋涡而言，流向旋涡受流动压缩性影响更小，因此在流场中通过产生流向旋涡而增加混合的方法更受关注。若要把增强混合喷嘴用于风洞引射器，必须考虑到在高引射气流马赫数情况下的适用性，以及在增强混合的同时不明显地降低压力恢复性能这两个因素。后缘开缝喷嘴增强混合简单易行，而且动量损失较小，值得优先考虑。

(3.2)采用数值模拟方法，在相同增压比、相同被引射气流总压以及相同被引射流量的条件下，比较几种引射喷管结构的引射效率；

(3.3)选定引射效率最高的引射喷管几何参数，作为第三层次的优化结果，即为增强混合引射喷管参数优化结果；所述引射喷管几何参数是指齿数和侵入角。

实施例：

设计条件：某高超声速风洞运行马赫数5-8，前室总压0.8-8.5MPa，总温375-750K，风洞喷管出口直径100mm，要求设计满足风洞运行条件的引射器。

(1)引射器总体参数优化

(1.1)计算总增压比

风洞马赫数M＝5-8时，被引射气流总压P₀₁可按下式估算：P₀₁＝P₀σ_s/1.8，其中P₀为风洞前室总压，σ_s为相应风洞马赫数下的正激波后总压与正激波前总压之比，1.8为考虑各种损失的经验系数。计算风洞洞所有运行条件下的被引射气流总压和被引射气流流量，参考被引射气流总压最低和被引射气流流量最大的状态，考虑一定余量确定引射器最严苛设计点。本例以被引射气流总压P₀₁＝0.0171MPa为设计点。假定亚扩段总压恢复系数0.83，出口总压0.1MPa，得到总增压比为7。

(1.2)确定引射级数和单级增压比

根据下表，确定采用两级空气引射器，计算得到单级增压比为2.65。

(1.3)计算引射效率，优选确定引射参数

预设一级引射马赫数M′₁＝3.75、3.5、3.25、3.0，二级引射马赫数M′₂＝3.25、3.0、2.75、2.5，引射面积比α_i＝0.24、0.26、0.28、0.3、0.32、0.34。

将引射参数代入到引射器性能方程中，计算各级引射总压、引射气流流量和混合室出口速度系数；估算得到两级引射器总体参数关系，如图2，其中，图2(a)为一级引射气流流量与面积比关系，图2(b)为一级引射总压与面积比关系，图2(c)为二级引射气流流量与面积比关系，图2(d)为二级引射总压与面积比关系。

根据引射器总流量和引射总压，估算风洞引射气源允许的最长工作时间，其中气源容积V＝9600m³，气源初始压力取P_i＝1.5MPa，气源终止压力取P_f＝1.2MPa，静温T_i＝288K，膨胀指数χ＝1.4。综合考虑气源许用压力、风洞运行时间、引射效率、模型结构阻塞度等因素，优选确定一级引射马赫数M′₁＝3.5，面积比α₁＝0.24，；二级引射马赫数M′₂＝3.0，面积比α₂＝0.32。

(2)引射喷口布局优化

取一级混合室直径140mm，长620mm，二级混合室直径160.8mm，长691mm，扩压器全扩角8.14°，出口直径380mm。根据步骤(1)确定的面积比，设计几种典型喷口布局，包括环形分布、环形加中心分布、双层环形分布，如图3所示，其中，图3(a)为4喷口布局，图3(b)为8喷口布局，图3(c)为9喷口布局，图3(d)为12喷口布局。

采用数值模拟获得相同设计条件下不同喷口布局引射器效率，确定效率最高的引射喷口布局。本例中双层环形分布的引射效率比环形加中心分布提高有限，考虑结构加工复杂性和引射管路阻塞等因素，优选确定一、二级引射喷管数分别为9和11，布置形式如图4所示，即为第二层次优化结果。

图4(a)为引射喷管结构示意图，图4(b)为一级引射喷管分布，图4(c)二级引射喷管分布。如图4(a)所示，引射器喷管段由堵头1、进气横管2、喷管3和进气支臂4组成。其中，进气支臂4截面为圆头尖尾形，用于减小绕流损失。引射进气管道及其支臂交错布置，避免阻塞面积过大。

(3)增强混合引射喷管参数优化

锯齿后缘喷嘴利用主次气流的压差产生流向涡达到加快混合的目的，在航空发动机领域已成功应用。本发明将该技术应用在多级多喷管超声速引射器上，可起到提高引射效率、缩短混合距离的有益效果。在引射器总体参数和喷口布局确定的基础上，本实施例中设计喷口锯齿数N＝4、8，侵入角δ＝5°、7.5°、10°，两者组合得到一、二级引射喷管外形各有6种。通过数值模拟评估不同锯齿数和侵入角引射喷管的混合效果，综合考虑引射效率和增压比，优选确定喷口齿数8、侵入角7.5°，如图5所示的锯齿形引射喷管引射喷管效果最佳。

经过上述步骤，获得如图6所示的两级锯齿形多喷管引射器，该装置包括以下部分：

一级引射器5：安装在被引射气流管道10下游，通过9个M′₁＝3.5引射喷管喷出的高速气流粘性剪切作用抽吸被引射气流。

一级混合室6：位于一级引射器5之后，是一级引射气流与被引射气流相互混合的区域，完成被引射气流的增压和输运。

二级引射器7：位于一级混合室6之后，通过11个M′₂＝3.0引射喷管喷出的高速气流粘性剪切作用抽吸一级混合室6出口的混合气流。

二级混合室8：位于二级引射器7之后，是二级引射气流与一级混合室6出口混合气流相互混合的区域。

扩压器9：位于二级混合室8之后，其面积逐渐增大，作用是使二级混合室8出口混合气流进一步减速增压，最终排入环境大气。

被引射气流管路10：位于一级引射器5之前，用于吸入被引射气流。

以上是对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施例。对于本领域的技术人员来说，在权利要求书所记载的范畴内，显而易见的能够想象到各种变更或修正例，也属于本发明的技术范畴。