摘要
制冷系统已成为保障人民日常生活的基础设施，近年来，传统制冷剂所引发的全球变暖、臭氧层耗损等气候环境问题愈发严重，自然制冷剂CO2以其安全性好、环保性高、热物理性质优良和易于获取等优点得到世界各国的广泛关注。然而，由于CO2临界温度较低，使得CO2制冷系统在大多数工况下处于跨临界循环，若采用传统的膨胀阀势必会产生巨大的节流损失，进而导致系统性能恶化。因此，有效的膨胀回收装置是促进CO2制冷系统广泛应用的重要前提。 喷射器，可以在不消耗额外机械能的基础上提升引射流体压力，在回收CO2制冷系统节流损失、减少压缩机功耗、提高系统制冷能力方面表现出巨大潜力。然而，喷射器由于自身结构限制使其在CO2喷射制冷系统实际运行过程中性能较低，严重阻碍了CO2喷射制冷系统的广泛应用。因此，为了提高CO2两相喷射器在制冷系统实际运行时的性能，本文提出理论分析、数值模拟和优化算法耦合的喷射器优化技术，对CO2喷射器在制冷系统全工况运行时开展了一系列的优化研究。主要内容如下: (1)根据经典热力学方法建立了CO2喷射器一维设计程序，得出给定工况下CO2喷射器初始几何尺寸。通过ICEM建立了喷射器的三维和二维网格模型，并导入Fluent进行CFD仿真，使用Fluent自带的UDF功能建立了均相平衡模型(HEM)和均相弛豫模型(HRM)用以实现对CO2喷射器内气液两相流动的数值模拟，之后通过实验数据验证了CFD模型的准确性。 (2)通过正交优化设计对喷射器内11个几何参数进行了敏感性分析，结果表明混合室直径Dmix、喷嘴出口位置NXP、喷嘴喉部直径Dth、喷嘴扩散角α2、混合室长度Lmix、扩散室角度α4是影响喷射器效率的关键几何参数。之后以喷射器效率为目标函数，应用CFD模拟、人工神经网络(ANN)和遗传算法(GA)对典型超市制冷工况下的CO2喷射器关键几何结构进行优化，得到了最优模型的几何参数，其中混合室直径、喷嘴出口位置、喷嘴扩散角、混合室长度和扩散室角度分别为4.24mm、0.40mm、0.55°、67.02mm和3.08°。最优模型的最大喷射器效率比基础模型提升了11.85％。另外，研究结果表明最优模型的速度场更加均匀，激波强度略低于基础模型。 (3)为了使喷射器在工况发生变化时始终保持高效运行，提出了喷射器在系统变工况运行时的两种设计方案:并联喷射器组和可调式喷射器。其中，并联喷射器组主要是由多个固定式喷射器并联在系统中，根据工况变化对喷射器组进行调节使制冷系统始终保持高效运行。首先，以喷射器关键几何参数和边界条件为自变量，以喷射器效率和引射比为目标函数，应用人工神经网络建立了上述自变量与目标函数之间的映射关系，之后应用NSGA-Ⅱ得到了多目标优化模型(MOO),根据蒸发温度范围的不同，得出4组最优喷射器模型。优化结果表明，在不同蒸发温度下最优模型的喷射器效率分别为41.70％、42.70％、42.69％和43.26％,其引射比分别为0.695、0.848、1.019和0.887。与基础模型相比，平均喷射器效率提升了13.20％。可调式喷射器是指通过移动探针来调节一次流喷嘴有效流通面积，进而调节一次流质量流量，从而使喷射器在工况变化时仍能保持较高的效率运行。研究结果表明，在工况发生变化时，可调式喷射器效率始终保持在30％以上运行。 (4)搭建了CO2喷射制冷系统实验测试台，测试了不同工况下喷射器的性能并验证了所建立的数值仿真模型的准确性。验证结果表明一次流的平均相对误差为3.73％,二次流的平均相对误差为6.09％,模型具有较高的准确性，可以预测跨临界CO2两相喷射器的性能。
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