可调式引射器关键结构参数影响规律研究

纪少波， 张世强， 陈秋霖， 李洋， 马荣泽， 姜颖

(山东大学 能源与动力工程学院，山东 济南 250061)

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)能够将燃料的化学能转换为电能，具有转化效率高、使用阶段零污染等优点，符合社会可持续发展的需求，在分布式电站、便携式移动电源及新能源车辆等领域具有广阔的应用前景[1]。氢气供给直接影响PEMFC的工作性能，为实现氢气的有效供给，常采用氢气再循环的方式，将阳极集聚的水及惰性气体带出，通过回收装置得到氢气-水蒸气混合气，并再次送入阳极利用，通过回收的方式提高氢气使用效率。回收装置主要包括氢气循环泵或引射器2种类型，前者需要消耗燃料电池额外的功率，降低燃料电池的工作效率，还会产生振动和噪音，而引射器利用装置间的压差实现氢气循环，不需消耗额外功率，因此引射器的研究和设计成为提高燃料电池氢气利用率的重要研究方向。

尹燕等[2]使用CFD方法对用于PEMFC的引射器进行了三维数值建模，探索了结构参数和操作条件对引射器性能的影响，确定引射器的最佳优化方案。沈鹏远等[3]设计了应用于80 kW燃料电池系统的引射器，探索了不同操作条件对引射器性能的影响，结果表明引射器的性能随二次流体压力的提高而提升。马丽等[4]搭建试验台架，对装配有引射器的PEMFC系统进行测试，通过改变流量的方式模拟不同工况条件，测试结果表明不同工况下阳极供气系统可提供稳定的氢气。Hosseinzadeh等[5]利用三维CFD模拟对应用于Ballard小功率电堆的引射器进行了研究分析，确定影响引射器性能的主要结构参数。Bao等[6]建立了包含引射器的质子交换膜燃料电池系统模型，在不同操作条件下分析了引射器循环模式对系统动态响应特性的影响。He等[7]基于引射器和压缩机构成一种新型的混合氢气再循环系统，研究了该混合循环系统的控制方程和建模方法，确定了最佳的工作模式。

现有研究多围绕固定结构引射器展开，此类引射器结构无法调整，适用工况范围有限，实际使用过程需要多组不同规格的引射器组合，或将引射器与其他氢气回收机构组合使用，整个氢气回收机构的结构复杂。为了克服上述缺点，本文围绕可调式引射器进行研究，通过数值分析方法研究了主要结构参数对可调式引射器性能的影响规律，为可调式引射器的结构参数设计提供指导。

1 引射器模型建立及验证

1.1 引射器模型建立

本文提出的可调式引射器主要包括针阀、一次流体收敛型喷嘴、吸入腔、等压混合室、等容混合室和扩散室等结构，其结构示意如图1所示。可调式引射器的工作原理为：高压低速的一次流体从引射器的收敛型喷嘴喷出到吸入腔，因为流通截面减小导致流速增加，进而使得压力降低，在吸入腔形成低压区；当低压区的压力低于二次流入口压力时，二者之间的压差将二次流体吸入并与一次流体混合，经过等压混合室、等容混合室混合均匀后，在扩散室内流速逐渐减小，压力逐渐恢复到燃料电池所需入口压力。可调式引射器工作过程中，针阀起到至关重要的作用，通过移动针阀调节一次流体的流通截面，以匹配不同工况条件下的流量和流速。

图1 可调式引射器结构示意图及关键尺寸Fig.1 Schematic diagram and key dimensions of adjustable ejector

本文研究的引射器应用的PEMFC电堆功率为20 kW。结合已有研究确定等容混合室直径dt、等容混合室长度lt、喷嘴和等容混合室入口距离lnxp、等压混合室长度li、等压混合室角度αi、扩散室角度αd、扩散室直径ld等主要结构参数并进行研究[2]。参考某已知固定式引射器的结构参数，确定上述主要参数的初始值。考虑到本文提出的可调式引射器的结构，增加了用于调节入口截面积的针阀结构参数，上述参数的初始值如表1所示。基于上述主要结构参数建立了初始引射器的模型，如图2所示。

表1 优化前引射器的主要结构参数

图2 引射器网格模型Fig.2 Mesh model of ejector

为确保网格质量，在构建六面体网格的同时，对引射器模型混合区域的流动区域和引射器壁面边界的网格进行了加密优化，对于流体状态变化较大的位置采取了网格自适应的方式，同时对网格的独立性进行了验证。本文对8种不同网格数量进行数值模拟，模拟结果如图3所示。

图3 网格独立性验证Fig.3 Grid independence verification

由对比结果可知，当网格数量较小时，引射系数变化量较大，当网格数量由约60万增加至约70万时，引射系数变化量可达2.7%。当网格数量超过110万时，引射系数变化小于1%，因此网格数量在110万时对仿真结果的影响可以忽略，考虑到过多的网格数量会导致仿真速度降低的问题，在研究中网格数量为110万。

1.2 引射器模型验证

为了对引射器模型及引射器关键结构参数最优值进行验证，搭建引射器试验台架，如图4所示。台架包括空压机、稳压罐、干燥过滤筒、三通阀、调压阀、压力变送器、流量计、引射器及背压阀等部分。试验用到的流量计精度2%，通过串口通讯方式输出测量数据，压力变送器精度0.5%，输出为4～20 mA电流，自主开发测试系统采集各传感器的信号，并在上位机进行显示及存储。

图4 引射器试验台架示意Fig.4 Schematic diagram of ejector test bench

基于3D打印技术加工引射器，采用无色半透明的JP1800树脂作为打印材料，打印的引射器实物如图5所示。试验过程控制一次、二次入口的压力，测试引射器的一次、二次入口的流量。为了便于量化引射器的性能，使用引射系数ω评价引射器的性能，引射系数为：

(1)

式中：ms为一次流体质量流量；mp为二次流体质量流量。

图5 3D打印引射器实物图Fig.5 3D print physical drawing of ejector

利用台架测试数据对搭建的CFD模型进行验证，在与试验同样的入口压力条件下进行仿真，根据计算的一次、二次流量得到引射系数，并与试验测试数据进行对比。在120、180、250及300 A 4种不同工况条件进行对比，4种不同工况下的对比结果如图6所示，仿真与试验结果的最大误差不超过5%，建立的仿真模型的准确性满足要求，可以进行后续仿真计算。

图6 模型与试验结果对比曲线Fig.6 Comparison curve between model and test results

2 引射器关键结构参数影响规律

基于建立的CFD模型研究了引射器关键结构参数对引射器性能的影响规律，考虑到引射器主要结构参数的相关性，需要合理设置引射器结构参数的优化顺序。对此本文采用了顺序法对可调式引射器的结构参数进行优化[8]。按照图7所示研究顺序可以减小各结构参数之间的影响[9]，因此本文按图7所述流程确定引射器关键结构参数的影响规律。

图7 可调式引射器结构参数优化流程Fig.7 Flow chart of structural parameter optimization of adjustable ejector

根据已有试验结果确定8个计算工况的功率、电流、一次流体流量、二次流体压力(PS)及出口压力(PO)[4]。通过调节针阀位置匹配不同工况的流量，得到针阀与喷嘴出口的距离(Xn)，其中Xn沿流动方向为正值。不同工况下各运行参数取值如表2所示。不同工况下的其他边界条件设置如下：可调式引射器一次流体为纯氢气，一次入口设为质量流量边界，恒定压力为0.32 MPa，恒定温度为303 K；二次流体是湿氢气，混合有一定的水蒸气，湿度设为70%，二次入口设为压力边界，温度恒定为343 K；出口设为压力边界，温度恒定为333 K。

表2 不同工况对应引射器的边界条件和喷嘴距离

2.1 等容混合室直径dt 对引射器性能的影响

引射器的等容混合室直径dt初始值为3.5 mm，将其取值范围设定为2.8～6.3 mm，其他参数如表1所示。不同工况及不同dt对应的引射系数如表3所示，其中计算结果缺失是由于二次入口流量出现负值，产生回流。产生回流的原因是：由于一次入口压力较小，而一次流体在经过喷嘴时，不能产生更高的流速以降低压力，导致吸入腔的压力比二次流体压力高，使得二次入口出现回流。由表3可知，其他参数不变时，随着dt尺寸的减小，引射器覆盖的工况范围增大。

表3 不同等容混合室直径dt的引射系数计算结果

不同工况下引射器的引射系数随等容混合室直径dt的变化规律如图8所示。由图可知，引射系数随等容混合室直径的变化曲线均呈反抛物线趋势，即在此工况下存在最佳值。各工况结果表明，随着等容混合室直径的增加，引射系数的最佳值向右上方移动，即不同等容混合室直径下的最优值存在差异，这是由于等容混合室直径对于引射器可覆盖的工况范围有较大的影响，因而不同等容混合室直径下引射器的工作范围不同，所对应的最佳值也就不同。

为对比不同等容混合室直径dt时引射器的流动差异，图9显示了250 A时混合室直径为2.8～6.3 mm的速度云图。由图可知，混合室直径较小时，流体整体流速较高、高速度流体覆盖范围广；当等容混合室直径逐渐增大时，流体整体流速降低、高流速范围减小。引射器的性能主要取决于引射系数，而引射系数主要受二次流体入口和吸入腔的压力差的影响。在同一工况下，当等容混合室直径较小时，流通截面积较小，能够产生更高的流速，吸入腔压力减小更为明显，与二次流体入口压力差增大，有利于二次流体的吸入。较小的等容混合室直径所需的一次流体的压力相应增加[10]，随着等容混合室直径增加，一次入口的压力与等容混合室直径之间的匹配达到最佳后，引射系数达到最高值。而等容混合室直径dt过大时，流速较低、吸入室内压力较高，与二次流体入口的压差减小，对流体的吸力减小，因而引射器的引射性能逐渐下降。综合上述不同等容混合室直径对引射器性能的影响分析，确定4.2 mm为等容混合室直径dt的最优值。

图8 引射系数随等容混合室直径的变化曲线Fig.8 Variation curves of ejection coefficient with the diameter of constant volume mixing chamber

2.2 等容混合室长度lt对引射器性能的影响

引射器的等容混合室长度lt的初始值是21 mm(5dt)，将等容混合室长度lt的取值范围设定为16.8～33.6 mm(4dt～8dt)，固定等容混合室直径dt为4.2 mm，其他参数如表1所示。不同工况下引射器的引射系数随等容混合室长度lt的变化规律如图10所示。由图可知，不同工况下引射器的引射系数随等容混合室长度lt的变化曲线有所差异，存在不同的最佳值。在较低工况时，较小等容混合室长度的引射性能更好，而较高工况时，较大等容混合室长度的引射性能更好。

多数对比工况下引射器的引射系数随等容混合室长度lt的增加呈先增大后减小的趋势，在等容混合室长度lt为21～26 mm范围内的时候引射器的性能较好，此时吸入腔内压力最低，二次流体压力与吸入腔产生较大压差，有利于吸入更多的二次流体；同时压力越低会使得更多的一次流体的压力势能转化为流体动能，增大流速，也加速了二次流体吸入的速度，提高引射器的工作性能。当等容混合室长度过小时，不利于一次流体和二次流体的混合，二者在较短的混合室内混合质量较差，速度分布不均、局部压力较高，不利于二次流体的吸入[11]。当等容混合室长度过大时，会增大流体的摩擦损失，使得吸入腔与二次入口压力差降低，导致引射系数降低，引射器的工作性能较差。综合分析计算结果，确定25.2 mm (6dt)为等容混合室长度lt的最佳值。

图9 250 A工况下，混合室直径2.8～6.3 mm引射器的速度云图Fig.9 Velocity nephogram of ejector with mixing chamber diameter of 2.8～6.3 mm under 250 A working condition

图10 引射器的引射系数随等容混合室长度的变化曲线Fig.10 Variation curves of ejector coefficient with the length of constant volume mixing chamber

2.3 喷嘴出口和等容混合室入口距离lnxp对引射器性能的影响

引射器的喷嘴出口和等容混合室入口距离lnxp的初始值为1.75 mm(dt/2.4)，将lnxp的取值范围设定为1.31～2.63 mm(dt/3.2～dt/1.6)，固定等容混合室直径dt为4.2 mm，等容混合室长度lt为25.2 mm (6dt)，其他参数如表1所示。不同工况下引射器的引射系数随lnxp的变化规律如图11所示。

图11 引射器的引射系数随喷嘴位置的变化曲线Fig.11 Variation curves of ejector ejection coefficient with nozzle position

由图可知，不同工况下引射器的引射系数随lnxp增大呈现先增后减的趋势，但整体变化幅度较小，也就是说，lnxp对于引射器引射性能的影响较小，但过小的lnxp或过大的lnxp也会对引射器的工作性能产生不利的影响。lnxp过小，吸入腔的空间不足，吸收二次流体的能力下降，从而导致引射系数减小；而lnxp过大，吸入腔空间过剩，部分二次流体被分离，在下游形成涡流，同时由于流体的摩擦阻力增大，流体能量产生一定的损失，不能及时进入混合室进行有效混合，降低二次流体进入吸入腔的流量，对引射器的引射性能产生不利影响。

当喷嘴出口和等容混合室入口距离lnxp为1.75 mm(dt/2.4)时，吸入腔的空间处于最佳大小，引射器的性能也最佳，因此将1.75 mm(dt/2.4)作为喷嘴出口和等容混合室入口距离lnxp的最优值。

2.4 等压混合室角度αi对引射器性能的影响

引射器的等压混合室角度αi的初始值为25°，将αi的取值范围设定为18°～34°(每4°取一个工况点)，固定等容混合室直径dt为4.2 mm，等容混合室长度lt为25.2 mm，喷嘴出口和等容混合室入口距离lnxp为1.75 mm，其他参数如表1所示。不同工况下引射器的引射系数随等压混合室角度αi的变化规律如图12所示。

图12 引射器的引射系数随等压混合室角度的变化曲线Fig.12 Variation curves of ejector coefficient with the angle of isobaric mixing chamber

由图12可知，不同工况下αi对可调式引射器引射系数的影响呈现先增大后减小的规律，整体变化幅度较小，但存在最佳的αi。较小的αi和较大的αi都会在一定程度上降低引射器的工作性能。αi过小，会影响一次流体和二次流体混合的均匀性，2种流体混合不均匀，会导致流体压力分布不均，局部压力较高，不利于二次流体的吸入，二次流体质量流量减少，引射器的引射系数降低；而αi过大，2种流体在混合时会产生较大的冲击，导致流体动能损失、流动能量降低，从而降低引射器的性能。

当等压混合室角度αi为30°时，引射器达到最高的引射系数，引射性能最佳，因此选定等压混合室的最佳角度为30°。

2.5 等压混合室长度li对引射器性能的影响

引射器的等压混合室长度li的初始值为6.0 mm，将li的取值范围设定为4.4～6.0 mm(每0.4 mm取一个工况点)，固定等容混合室直径dt为4.2 mm，等容混合室长度lt为25.2 mm，喷嘴出口和等容混合室入口距离lnxp为1.75 mm，等压混合室角度αi为30°，其他参数如表1所示。不同工况下引射器的引射系数随等压混合室长度li的变化规律如图13所示。由图可知，不同工况下引射器的引射系数随li的增加先增大后减小，每个工况都存在li的最佳值。较短或较长的li都会对引射性能产生一定的不利影响。较短的li会减少一次流体和二次流体的等压混合时间，致使两种流体混合不完全，不能达到稳定的等压状态，吸入腔内的压力较高，与引射器二次流体入口处的压力差减小，不利于吸入腔对二次流体的吸入，因而降低二次流体的流量，引射系数随之降低；而li较长时，虽有利于提高2种流体的等压混合质量，但流体流动路程增加，进而导致流体流动阻力升高，吸入腔的压力升高，对引射器的性能产生不利的影响。

图13 引射器的引射系数随等压混合室长度的变化曲线Fig.13 Variation curves of ejector coefficient with the length of isobaric mixing chamber

当等压混合室长度li为5.2 mm时，不同工况下的引射系数最高，此时的引射器的引射性能达到最佳值，因此选定最优等压混合室长度li为5.2 mm。

2.6 扩散室角度αd对引射器性能的影响

引射器扩散室角度αd的初始值为9.7°，将扩散室角度αd的取值范围设定为6°～14°(每2°取一个工况点)，固定等容混合室直径dt为4.2 mm，等容混合室长度lt为25.2 mm，喷嘴出口和等容混合室入口距离lnxp为1.75 mm，等压混合室角度αi为30°，等压混合室长度li为5.2 mm，其他参数如表1所示。不同工况下引射器的引射系数随扩散室角度αd的变化规律如图14所示。由图可知，不同工况下的引射器的引射系数均随αd增大而下降，即随着αd的增大，引射器的引射性能下降，引射器的工作效率降低。随着αd的增加，扩散室的截面积增大，均匀混合的气体流经较大截面积的扩散室时，流速降低、压力升高，使得引射器出口压力较高，导致吸入腔压力升高，吸入腔与二次入口的压力差减小，引射系数降低，从而影响引射器的引射性能。

图14 引射器的引射系数随扩散室角度的变化曲线Fig.14 Variation curves of ejector coefficient with diffusion chamber angle

当扩散室角度αd为6°时，不同工况下二次流体的引射系数最高，此时的引射器引射性能也达到最佳值，因此选定最优扩散室角度αd为6°。

2.7 扩散室长度ld对引射器性能的影响

引射器扩散室长度ld的初始值为39.8 mm，将ld的取值范围设定为16.8 mm～50.4 mm(4dt～12dt)，固定等容混合室直径dt为4.2 mm，等容混合室长度lt为25.2 mm(6dt)，喷嘴出口和等容混合室入口距离lnxp为1.75 mm，等压混合室角度αi为30°，等压混合室长度li为5.2 mm，扩散室角度αd为6°，其他参数如表1所示。不同工况下引射器的引射系数随扩散室长度ld的变化规律如图15所示。

由图15可知，引射器的引射系数在不同工况下均随ld的增加而增大，说明随着ld的增长，引射器的引射性能随之提升。随着扩散室的长度增加，其内部的压力减小，吸入腔内的压力也随之降低，与二次流体入口的压差增大，流入引射器的二次流体质量流量增大，从而提高引射器的引射系数，进而提高引射器的工作性能；同时，扩散室的压力降低会使更多的一次流体的压力势能转化为流体的动能，有利于提高流体的流动速度，吸入更多的二次流体。

图15 引射器的引射系数随扩散室长度的变化曲线Fig.15 Variation curves of ejector coefficient with diffusion chamber length

当扩散室长度ld为50.4 mm时，4个工况的二次流体质量流量以及引射系数达到最高值，引射器也达到最佳性能。由于随着扩散室长度增加，引射系数的增长幅度变小，考虑到引射器的加工与安装问题，选择50.4 mm作为扩散室长度ld的最佳值。

3 试验分析

为了进一步验证最佳结构参数结果的有效性，通过3D打印加工可调式引射器，基于引射器试验台架对优化前后的引射器性能进行测试分析。在引射器试验验证过程中，相同工况下不同针阀位置对应的引射器性能存在差异，试验中获取了同一工况下不同针阀位置的测试数据，取各工况下引射器性能最佳的数据作为可调式引射器的性能数据。图16(a)为最佳结构参数下的引射器的二次流体质量流量随工况电流的变化规律，由图可见，随着工况电流的增加，二次流体质量均呈增大的趋势，增长幅度逐渐减小。图16(b)为最佳结构参数下的引射器的引射系数随工况电流的变化规律，随工况电流的增加，引射系数先增大后减小，与前述数值分析的规律一致。

图16 优化前后引射器性能对比曲线Fig.16 Comparison curves of ejector performance before and after optimization

由图16可知，固定式引射器工作范围为120～300 A，工况范围窄，只能满足中高工况的使用要求。可调式引射器覆盖的工况范围拓宽至60～300 A，相较于固定式引射器，低负荷工况明显拓宽。在对比的工况点，最佳结构参数下引射器的二次流体质量及引射系数都有明显提升，二次流体质量流量最大增加0.001 37 kg/s，引射器的最大引射系数的相对增量可达6.2%。从运行工况范围以及引射系数对比结果可以看出，最佳结构参数下的可调式引射器性能得到了明显的提升。

4 结论

1) 本文提出了一种可调式引射器的设计方案，通过改变针阀位置实现可变截面，调节一次流体的流量及流速，满足不同工况条件的运行需求。建立了引射器的CFD仿真模型，基于模型研究引射器关键结构参数对引射器性能的影响规律。

2) 按照等容混合室直径dt、等容混合室长度lt、喷嘴和等容混合室入口距离lnxp、等压混合室角度αi、等压混合室长度li、扩散室角度αd、扩散室长度ld的顺序进行研究，得到了各结构参数对引射器性能的影响规律，确定了各关键结构参数的最佳尺寸。

3) 搭建引射器试验台架，对比固定式引射器和可调式引射器的性能，结果表明相对于固定式引射器，可调式引射器的工况适用范围从120～300 A拓宽至60～300 A，二次流体质量流量最大增加0.001 37 kg/s，引射器最大引射系数的相对增量可达6.2%，优化后引射器的性能明显提升。