喷射器内激波调控与超音速两相流热质传递机理研究

The ejector is an important device with compression, vacuum and mixing effects. This project will investigate the steam ejector in low-temperature multi-effect distillation systems and transcritical pressure ejector in CO2 ejection/compression refrigeration systems. This project will focus on three key science problems: the shock distribution law, the heat and mass transfer mechanism with condensation and evaporation two phase flow, the shock regulation mechanism. Study on the shock distribution law in supersonic flows using Schlieren optical measurement and numerical simulation methods, which will reveal the coupled shock waves and phase change process. Study on the two-dimensional pressure and velocity distributions using PIV and local capillary tube, which will reveal the non-equilibrium condensation and evaporation models. Design on the shock regulation mechanism for two phase and transcritical pressure ejectors. Finally, study on the ejector performance at variable conditions and establish the optimal method for high performance ejector design. This study will provide a theoretical basis for the ejector performance improvement and increase production and energy conservation in the field of related industries.

喷射器是一种具有增压、真空、混合作用的重要装置。本项目以低温多效蒸馏系统中的蒸汽喷射器和CO2喷射/压缩制冷系统中的跨临界喷射器为研究对象，围绕喷射器内超音速流动过程中的激波分布规律、凝结与蒸发两相流的热质传递机理和喷射器激波调控机理这三个关键科学问题，利用纹影光学测量方法和数值模拟研究喷射器内超音速两相和超临界流体流动中激波分布规律，揭示超音速气动激波与相变过程的耦合影响机理；利用PIV及毛细管测量技术研究喷射器内的二维局部速度、压力分布规律，建立喷射器内的非平衡凝结和蒸发过程的数理模型；设计新型喷嘴构型和增加激波发生元件来调控喷射器内的激波系，研究适用于两相和跨临界喷射器的激波调控机制；最后研究变工况下喷射器的性能特性，建立喷射器的优化设计方法。本研究将为提升喷射器性能提供理论依据，对相关工业领域的增产和节能减排有重要意义。

本项目深入揭示了喷射器内超音速流动过程中的激波分布规律、凝结与蒸发两相流的热质传递机理，提出了喷射器激波的调控方法，获得了变工况下喷射器的性能特性，建立喷射器的优化设计方法。项目研究提升了跨临界CO2制冷与热泵系统的能效比，为超临界CO2为工质的冷热电联供系统提供优化方法和模型。本项目通过对跨临界喷射器机理的深入认识，设计了高性能喷射器部件，研发了跨临界CO2喷射-压缩热泵机组，在-20℃低环境温度工况下制热COP达到1.92（进出水温9/55℃）。该技术目前正在清华大学山西清洁能源研究院进行成果转化，在北方清洁供暖、原油降粘输运等领域应用前景广阔。本项目共发表SCI论文5篇，EI论文2篇，全部为第一标注。申请发明专利3项。培养研究生3名。项目负责人共参加国际会议8次、国内会议11次，其中做邀请报告7次。