喷射器内跨临界CO2的跨音速流动和雾化相变问题研究

基于喷射器的压缩/喷射式跨临界CO2制冷循环的COP在原制冷循环的基础上有20%的提升。本项目以跨临界CO2压缩/喷射式制冷系统中的喷射器为研究对象，研究喷射器内CO2工质在剧烈变物性工况下的跨音速流动与雾化相变问题。用计算流体力学（CFD）方法进行跨临界CO2工质喷射器内部流动机理研究，捕捉喷射器内跨临界音速流动下的激波特征，探索超临界CO2射流膨胀至亚临界两相区过程中的局部相变问题。对跨临界CO2喷射器进行可视化实验研究，利用粒子成像测速(PIV)技术和纹影仪观测和研究跨临界CO2音速流动下的详细流场和流型信息。评价喷射器性能对跨临界CO2压缩/制冷系统能效比的影响规律。研究结果为揭示跨临界CO2喷射器工作机理提供理论基础，对设计高性能跨临界CO2喷射器及提升压缩/喷射式跨临界CO2制冷循环能效比有重要的意义和研究价值。

本项目以喷射器为研究对象，分别利用计算流体力学（CFD）方法和纹影仪实验手段对喷射器内部流动机理进行数值计算和实验研究，获得了喷射器内跨临界音速流动下的激波特征，建立了激波波长的理论预测模型，提出一种新型的喷射-压缩式制冷循环方式，并分析了喷射器性能与系统能效比的影响关系。研究结果对设计高性能跨临界喷射器有重要的指导意义。 . 本项目从3个方面开展了研究工作：(1) 跨临界CO2喷射器的计算流体力学模拟；(2) 跨临界喷射器的可视化实验研究；(3) 跨临界压缩/喷射式制冷系统实验研究。主要结果包括：.1)建立了CO2工质在超临界和亚临界的完整物性函数，包括密度、比热、导热系数、粘性系数、焓、熵、音速等随状态的变化关系式。并且编写和编译了该物性函数，使得该物性函数能被 CFD计算软件Fluent直接调用。.2)对喷射器进行数值建模和CFD仿真。建立了喷射器的三维CFD计算模型，包括边界条件、离散方法、湍流模型、相变模型、壁面方程等。再通过调用跨临界CO2实际物性函数，研究了变物性条件下跨临界CO2喷射器内的音速流动和相变规律。.3)建立了14个喷射器结构模型，研究了8个主要结构参数对喷射器内的激波及相变的影响规律，并且探讨喷射器的结构优化方法。.4)搭建了基于纹影仪的可视化实验平台，利用纹影仪实验测量了超音速喷射器内的激波分布特性，分析和研究喷射器内超音速流动过程中的激波特性与喷射器性能的内在影响机理。.5)建立喷射器内超音速流动的激波波长的理论分析模型，提出了一阶简化计算方法，揭示了激波波长与喷射器结构参数和运行工况之间的内在联系，并对理论模型进行了实验验证。.6)研究了一种新的制冷循环：在压缩制冷循环的基础上，联合一个喷射制冷循环，该喷射制冷循环利用压缩机的排气废热作为驱动热源。分析了系统中5个主要参数对系统的影响规律。.经过3年的认真工作，本项目达到了预期的成果数量，尤其在发表高水平学术论文上，本项目目前已发表高水平SCI论文4篇（与本项目完全相关，且本项目资助号排第一）。成果为：在国际核心刊物上发表论文4篇，其中被SCI收录4篇。在重要国际会议上宣读论文2次，在国内学术会议宣读论文2次。申请国内发明专利1项，申请国际发明专利1项。