蒸汽喷射器是一种利用高压蒸汽抽吸低压蒸汽的机械装置,具有结构简单、运行费用低、维修方便、节能效果显著等优点,广泛应用于水利、石油、化工、制冷、海水淡化及真空系统等领域。蒸汽喷射器虽然结构简单,但其内部气体的超音速混合过程异常复杂,存在着激波、边界层、剪切层的交互作用,混合机理尚不明确。工业设计中,大多采用图表法确定引射系数,粗略的经验估算法确定结构中的关键尺寸。这种方法设计的喷射器误差大、经常达不到理想的工作状态,甚至出现工作不稳定的情况,影响生产的稳定运行。为完善喷射器的一维设计理论和超音速混合异常复杂的问题,本文重点从蒸汽喷射器的设计计算和结构优化两个方面进行了理论分析和数值研究。本文的主要研究工作和结论如下:本文基于蒸汽喷射器的基本原理及索科洛夫的空气动力学计算法,采用一维稳态、定压混合理论对蒸汽喷射器进行设计,并对喷射器设计方法中的经验系数法和热力学法作了简要阐述。建立了蒸汽喷射器内超音速流动的数学物理模型,对网格的无关性进行了检验,并采用混合蒸汽压力p_c对此数值模型的正确性进行了验证,数值研究并分析了喷射器的内部流场分布特性。采用计算流体动力学软件FLUENT对所设计的超音速蒸汽喷射器的主喷嘴结构进行数值研究和分析,确定了主喷嘴各部分最优的几何尺寸,并详尽讨论了激波、壅塞等物理现象对喷射器内部流动特性的影响。结果发现:对于给定的操作条件,在蒸汽喷射器其他几何参数不变的情况下,主喷嘴出口与喉部的直径比对蒸汽喷射器的引射系数有显著的影响,存在一最佳的主喷嘴出口直径与喉部直径比范围可以使蒸汽喷射器的性能最优。同时,相对独立工作的喷嘴传统设计的渐扩段锥角被限制在10?-12?的范围内,蒸汽喷射器中喷嘴渐扩段长度的理论设计范围可以更大一些。在喷射器主喷嘴中设置适当长度的喉部可以改善蒸汽喷射器的性能,提高引射系数。在设计工况下,存在一最佳喷嘴距使喷射器的引射系数最大。针对喷射器混合室中存在超音速射流激波和边界层等极其复杂的混合过程,采用数值方法分析了混合室渐缩段和等截面喉部结构对蒸汽喷射器性能的影响,深入探讨了工作和引射两种蒸汽在混合室中的混合过程,确定了混合室各部分的最优几何尺寸。结果表明存在一个最优的混合室渐缩段长度,对于本文设计的喷射器,该最优渐缩段长度是主喷嘴喉部直径的21倍左右。对于给定渐缩段长度的混合室,存在一个最佳的混合室收缩角,此时主蒸汽与引射蒸汽的混合过程快速均匀。而在最优的混合室渐缩段长度和收缩角下,混合室等截面段喉部长度对蒸汽喷射器引射性能的影响很小。混合室等截面段直径对蒸汽喷射器的影响较大,为使喷射器的性能达到最优,在此设计工况下,应保持混合室等截面段与喷嘴喉部直径比为4.8-4.85。