Ein Ejektor nutzt den Impuls eines Treibfluids hohen Drucks, um ein zweites Fluid mitzureißen. Da er keine beweglichen Teile hat, ist er zuverlässig; er wird zur Vakuumerzeugung, in Dampfstrahlkälteanlagen, zur Rezirkulation in Brennstoffzellen und zur Mischung in Lüftungsanlagen eingesetzt.
Kritischer und unterkritischer Betrieb
Die Ejektorkennlinie ist nicht linear:
Kritischer (gesperrter) Betrieb. Solange der Gegendruck unter einer bestimmten Schwelle bleibt, ist der angesaugte Massenstrom von ihm unabhängig. Die Sekundärströmung erreicht in der Mischkammer Schallgeschwindigkeit und sperrt. Der Betrieb ist stabil.
Unterkritischer Betrieb. Überschreitet der Gegendruck die Schwelle, fällt der angesaugte Massenstrom rasch ab, und von einem Punkt an kehrt die Strömung ihre Richtung um. Das ist ein abrupter, kein allmählicher Übergang.
Ziel der Auslegung ist es, den Betriebspunkt mit angemessenem Abstand zur Schwelle im kritischen Bereich zu halten.
Anforderungen an die Modellierung
Eine kompressible Lösung ist Pflicht. Am engsten Querschnitt bildet sich ein Schallzustand; ein inkompressibles Modell kann die Sperrung nicht sehen und überschätzt den angesaugten Massenstrom. Siehe die Notiz zur kompressiblen Strömung.
Die Stoßstruktur muss aufgelöst werden. In Mischkammer und Diffusor bildet sich eine Folge von Verdichtungsstößen; ihre Lage bestimmt die Gegendruckschwelle. Das Netz muss dort fein sein.
Die turbulente Mischung entscheidet. Die Leistung eines Ejektors hängt davon ab, wie gut sich die beiden Ströme mischen. Die Auflösung der Mischungsschicht geht unmittelbar in das Ergebnis ein, und die Wahl des Turbulenzmodells macht hier einen deutlichen Unterschied. Siehe die Notiz zum Turbulenzmodell.
Geometrische Empfindlichkeit
Die axiale Lage des Düsenaustritts gegenüber der Mischkammer verändert die Leistung schon bei wenigen Millimetern Verschiebung deutlich. Deshalb ist der Ejektor eines der Bauteile, die sich am besten für die parametrische Optimierung eignen — und am schlechtesten für manuelles Probieren.
Referenzen
- Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6
- Fay, J. A. & Riddell, F. R. (1958). Theory of stagnation point heat transfer in dissociated air. Journal of the Aerospace Sciences, 25(2), 73–85. DOI: 10.2514/8.7517