（流体机械及工程专业论文）多喷嘴射流泵内部流场的数值模拟研究.pdf

：一一 堕尘鎏三些奎兰三兰堡圭兰篁篁圣 摘要 射流泵是一种利用高速流体作为工作动力来传递能量的流体机械，由于 它本身没有运动部件，且具有结构简单、维护方便及成本低廉等一系列独特 的优点，在某些工艺流程中具有明显的优越性和不可替代性，人们一直致力 于研究如何改进结构以提高它的效率。近二十多年来，随着计算技术的飞速 发展，数值模拟以其快速、方便、可靠等优点正逐步成为实验研究的部分替 代手段。 在以往对单喷嘴射流泵的数值模拟研究中，没有全面地考虑射流泵的实 际几何形状，尤其是进口部分，而且认为射流泵内部流场是轴对称的，简化 为二维平面流动进行流场的模拟计算。本文在考虑射流泵实际几何形状的前 提下，应用商用计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ，简称 c f d ) 软件f l u e n t ，将计算域扩大到喷嘴入口和吸入室入口，采用三维 空间模型，对单喷嘴射流泵内部流场进行数值模拟。该方法的计算结果与现 有的实验值基本吻合，经过对其内部流场的分析研究，符合目前已有的研究 结果，表明本计算方法是可行的，可用于射流泵的结构设计及优化。 目前对多喷嘴射流泵的研究非常少，本文采用与上述相同的计算方法， 对多喷嘴射流泵内部流场进行了数值模拟研究，定性地分析其内部流场的变 化规律，为今后多喷嘴射流泵的设计及研究提供一定的参考。 本文主要研究了多喷嘴射流泵的喉嘴距、喷嘴数量等参数对射流泵性能 的影响。在不改变面积比、流量比及出口压力的前提下，对均匀分布、水平 射流出流的不同喷嘴数目的射流泵内部流场分别进行数值模拟计算，得到了 射流泵效率随喉嘴距的变化规律。结果表明喉嘴距存在最佳值，不同喷嘴个 数的射流泵，它的最佳喉嘴距是不同的。对于本文所研究的射流泵，效率最 高点对应的三。，d ，在o 6 7 5 0 7 5 之间。 随着喷嘴个数的增加，工作流体与被吸流体在喉管中混合得更好，喉管 中的流速分布更加均匀，因而可以适当的缩短喉管长度，以减少能量损失。 关键词射流泵；c f d ；数值模拟：离散格式 竺尘堡! 些尘童三兰型! ；兰堡篁塞 a b s t r a c t j e tp u m p sa r ef l u i dm e c h a n i c sw i t h i nw h i c he n e r g yi st r a n s f e r r e db yh i g h s p e e df l u i dj e tp u m p sd on o th a v et h e i ro w nm o v e m e n tp a r i sa n dt h e i rs t r u c t u r e s a r ev e r ys i m p l e ，s ot h em a i n t e n a n c eo ft h ep u m p si sv e r y e a s ya n dc h e a pt h e o b v i o u sa d v a n t a g e so ft h ep u m p sm a k et h e mc a n n o tb er e p l a c e di ns o m ep r o c e s s ， a n dm a n yp e o p l ea r ae n g a g e dt os t u d yt h es t r u c t u r e so f t h cp u m p st oi n c r e a s et h e e 瞄c i e n c i e s ，i nt h ep a s t2 0y e a r s a l o n gw i t ht h er e p a i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r t e c h n o l o g y n u m e r i e a ls i m u l a t i o nh a sb e c o m ean e v rm e t h o ds u b s t i t u t e f 0 r e s e a r c ha n de x p e r i m e n t sb e c a u s eo f i t sc e l e r i t y c o n v e n i e n c ea n dr e l i a b i l i t y i np r e v i o u sr e s e a r c ho fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ns i n g l e - n o z z l ej e tp u m p s ， a c t u a l g e o m e t r i c a ls h a p e s o fj e tp u m p sa r en o tc o m p l e t e l yc o n s i d e r e d ，a n d e s p e c i a l l yi n l e to f j e tp u m p sa r en o tc o n s i d e r e d i ti sb e l i e v e dt h a tt h ef l o wf i e l d i nt l l ep u m pi sa x i s s y m m e t r i ca n dt h es i m u l a t e dc a l c u l a t i o no nf l o wf i e l di s b a s e do l lt w od i m e n s i o n sc o m p l e t e l yc o n s i d e r i n gt h ea c t u a ls h a p eo ft h ej e t p u m p ，n m u e r i e a ls i m u l a t i o no nt h ef l o wf i e l do fs i n g l e n o z z l ej e tp u m pi nt h i s p a p e ri s b a s e do nt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lw i t ht h eh e l po fc f d ( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c ) a n df l u e n ts o f t w a r e n ec a l c u l a t i o na r e ai se x t e n d e df r o m t h ee n t r a n c eo ft h en o z z l eu n t i lt h ee n t r a n c eo ft h ei n h a l er o o m t h eo u t c o m eo f t h ec a l c u l a t i o nm a t c h e st h ec u r r e n te x p e r i m e n t a ld a t ab a s i c a l l ya n dt h es t u d yo f f l o wf i e l di sc o n s i s t e n tw i t ht h ep r e s e n tr e s e a r c hr e s u l tt h i si n d i c a t e st h em e t h o d i sf e a s i b l 。a n di tc a nb e u s e de l lo p t i m i z a t i o na n dd e s i g no ft h es t r u c t u r e so f j e t p u m p s f o rt i l em o m e n ts e l d o mr e s e a r c hh a sb e e nd o n e0 nm u l t i n o z z l ej e tp u m p i n i h i sp 印e rt h es a m em e t h o da sa b o v ea r eu s e dt on u m e r i c a ls i m u l a t et h ef l o w f i e l d so fm u l t i n o z z l ej e tp u m p s q u a l i t a t i v ea n a l y s i so nt h em o v e m e n tr u l eo f n o wf i e l d si sm a d ea n di tw i l lp r o v i d er e f e r e n c ef o rd e s i g na n ds t u d ) o um u l t i 。 n o z z l ej e tp u m p si nt h ef u t u r e t h i sa r t i c l em a i n l ys t u d i e dt h ei m p a c t so fd i s t a n c e sb e t w e e nn o z z l e sa n d t h r o a t sa n dq u a n t i t j e so fn o z z l e se t e o nt h ep e r f o r m a n c eo fj e tp u m p sw i t h c o n s t a i nd a t ao fa r e ar a t i o ，f l o w r a t i oa n dt h ev a l u eo fo u t l 。tp 。8 8 ”。 c a l e u l a t i o n sa r em a d es e p a r a t e l yo nf l o wf i e l d so fd i f f e r e n tn o z z l e sp u m p sw i t h ! ! ：堡三些蛮兰三耋塑圭兰些篓当 p r o p o r t i o n a ls p a c i n g ，l e v e le j e c t i o nt h ev a r i e t yr u l e o ft h ee f f i c i e n c yi s c o n f i r m e db yt h ec a l c u l a t i o n t h a ti s ，t h ee f f l c i e n c yo ft h ep u m pv a r i e sa l o n g w i t ht h ed i s t a n c eb e t w e e nt h en o z z l ea n dt h et h r o a tt h e r ei sa nu p t i m u m p o i n to f t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h en o z z l ea n dt h et h r o a t ；f o rp u m p sw i t hd i f f e r e n tn u m b e r o fn o z z l e s ，t h eo p t i m u mp o i n t so ft h ed i s t a n c e sa r ed i f f e r e n t f o rt h ej o tp m n p q u o t e di nt h i sp a p e r , t h eo p t i m u mp o i n to fe f f i c i e n c yi sw h e nl ( d ji sb e t w e e n 0 6 7 5a n d0 7 5 a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o n ，w h e nt h en u m b e ro ft h en o z z l e si si n c r e a s i n g ， t h ew o r k i n gf l u i da n dt h ei n h a l e df l u i da r em i x e dm o r ep r o p o r f i e n a l ，a n dt h e f l u i di nt h et h r o a ti ss p a c e dm o r ee q u a l l y , t h el e n g t ho ft h et h r o a tc a nb er e d u c e d a c c o r d i n g l yt os a v et h el o s so fe n e r g y k e y w a r d s j e tp u m p c f d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：d i s a r e t i z a t i o ns c h e m e 1 1 1 - 。 堕尘鋈三些查兰三耋罂圭兰篁篁兰 第1 章绪论 1 1 本文的研究目的和意义 射流泵是一种本身没有运动部件的流体机械，主要是利用高速流体作为工 作动力来输送流体，它具有结构简单、密封性好、工作可靠和成本低廉等一系 列独特的优点，在许多工艺流程应用中具有优越性和不可替代性，特别适合水 下、放射、易燃和易爆等特殊场合，因而射流泵是种具有很大经济效益的通 用设备和技术，可以预见它今后的研究和应用将有很大的发展。 一般的射流泵只有一个喷嘴，其喷嘴、喉管和扩散管在同一轴线上，吸入 管旁置，引射流体( 即被吸流体) 在射流泵内要改变流向，这种射流泵称为中心 射流泵。目前国内外对中心射流泵研究较多，如中心射流泵各结构参数对射流 泵性能的影响以及如何选择这些结构参数都有较深入的研究，但是由于存在许 多与实际不相符的假定，则对射流泵内部具体流动状况分析得不够全面，在指 导射流泵结构设计、射流泵的性能优化方面有一定的局限性。因而有必要对射 流泵内部流场进行全面、细致的研究，以提供更加可靠、更加翔实的资料。 由于两股流体混合时产生较大的能量损失，使得其传能效率低，限制了它 的应用范围。如何才能够提高射流泵的工作效率，以便得到尽可能高的综合效 益，这一直是众多射流泵研究、设计者及应用者所关心的问题。由于射流泵是 依靠射流来传递能量和质量的，因此，射流的结构，是影响射流泵性能的最主 要因素。近年来国内外的研究表明，采用多股射流、多级喷射、脉冲射流等新 型结构的射流泵，在提高传能效率方面取得了一定的进展。众所周知，射流 泵的面积比( 混合管截面面积与喷嘴出口截面面积之比) 、混合管长度、喉嘴 形状、喉嘴距、喉嘴锥度、吸入管直径等对射流泵的效率均有不同程度的影 响，其中面积比对射流泵的效率影响最为显著，这已为大量试验研究所证实 1 2 。射流泵的边界条件复杂，两股流体要在极短的路程中，完成渐缩一混合 扩散三个过程。它的能量损失是很大的。而多喷嘴射流泵的工作流体通过多个 喷嘴射出，形成多股射流，使得工作流体与被吸流体相接触的表面比相应的中 心射流泵大，可以在较短的喉管内褥到充分的混合，工作流体与被吸流体能比 较迅速地进行能量和动量交换，从而减少喉管的摩阻损失，改善扩散管的入口 流速分布，也就提高了效率。可见，合理的设计射流泵的结构，可以显著的改 。 堕童篓三些奎兰三兰堡尘兰堡篁兰 善射流泵的性能。但无论国内外，对多喷嘴射流泵的研究却很少，可供设计这种 射流泵的参考资料也很少。因而有必要对多喷嘴射流泵的结构参数以及这些结 构参数对射流泵性能的影响进行研究，为合理的选择这些结构参数提供参考 f 3 j 。 实验研究是目前研究射流泵性能的一种重要方法。但是，试验研究成本 高，周期长，并且实验的方法、数据的精度和可靠性受测试仪器仪表和环境的 制约和影响，对流场的整体分析能力和细微流动结构的分析的能力有限。而用 数值模拟方法，对射流泵内部的流动进行分析，可以很好地解决上述问题。 1 2 射流泵的发展概述 1 2 1 射流泵的研究现状 射流泵与喷射器的工作原理是一样的，都属于新兴的学科一喷射技术。常 用的分类方法有三种：第一种是根据工作与被吸流体的性质和物理状态划分； 第二种是根据工作与被吸流体混合过程的热力学特点划分；第三种是根据用途 与结构划分。本文主要采用第种分类方法，即工作流体是液体( 不可压缩流 体) 的称为射流泵，工作流体是气体( 可压缩流体) 的称为喷射器。 射流泵主要是基于一定压力的流体通过喷嘴高速射出并引射( 卷吸) 周围 的流体这一基本原理而设计的。随着近代流体力学、空气动力学、传热及传质 学的进一步发展，近年来射流泵与喷射器在国内外发展很快，已普遍应用于国 民经济各行业1 4 - j s l 。目前我国在水利、电力、交通、化工、轻工、冶金、石 油、矿山、环境保护、核工业等行业正在逐步推广使用，取得了很大的经济效 益。 射流泵技术的研究应用已经有1 0 0 多年的历史了。经过国内外专家、学者 的不懈努力，对射流泵的基本理论、基本性能方程、及各部件尺寸的优化的研 究等都有了深入的进展。1 9 世纪6 0 年代，德国学者g ，佐伊纳根据动量原 理，建立射流泵的设计理论基础，并于1 8 7 0 年与m 兰金对其进步完善、 发展，但这个理论不能解决射流泵及喷射器的计算问题。1 9 3 3 1 9 3 4 年，j e 高 颠林和m p 奥必宁对液体射流泵进行了系统的实验研究工作，建立基本性能方 程。1 9 3 9 年，g v 福劳格建立射流泵及喷射器的计算方法，1 9 4 8 年，d 斯立林 分析了射流泵的阻力损失，并提出提高其效率的途径。1 9 5 5 1 9 5 6 年，r 科格 劳研究了射流泵基本性能最优设计参数。1 9 6 4 年，海根提出液一气射流泵包括 有阻力系数的一元分析式，并进行理论与实验的对比，透过透明喉管实验，发 现射流泵最优性能是混台完成于喉管内。 在我国，1 9 6 2 年童咏春、陆宏圻首次提出准二维分析方法，采用动量、能 量修正系数导出液体射流泵的基本方程。1 9 9 0 年，陆宏圻、龙新平、高传昌等 导出了脉冲液体射流泵性能方程。 而射流流场理论是从2 0 世纪3 0 年代发展起来的。最初r h 阿勃拉摩维奇 提出射流积分法，是射流泵内特性研究的理论基础。1 9 7 0 年，b j 希劳用射流 积分法对射流泵内部流场进行了二维计算。g b 吉尔贝特用有限差分法对气体 喷射器流场进行了数值分析。陆宏圻等运用有限容积法及r 占湍流模型对射流 泵的流场进行了数值计算并用弱可压缩流理论及湍流的大涡模拟模型对射流泵 二维平面流场进行了数值计算b , 1 6 1 。还有很多人采用不同的方法对射流泵的性 能、内部流场、及喉管优化等作了研究1 1 7 - 2 2 j 。 在已有的对射流泵的诸多研究中，有许多的假定不是很合理，如：认为喉 管进口段是二维轴对称的；忽略了喉嘴距的影响，假定喷嘴出口截面位于喉管 进口，喷嘴出口截面上工作流体与周围被吸流体互不混合，但紧密流动；忽略 了吸入室的形状及喉嘴形状的影响，假定被吸流体环绕喷嘴四周沿轴线均匀进 入混合管等。由于假定与实际不相符合，因而对于射流泵内部流体的具体流动 状况分析得不透彻，因而在指导射流泵结构设计、提高射流泵的性能方面有一 定的局限性。 1 9 5 6 年，s t 波宁顿( b o n n i g t o n ) 对水及水气射流泵进行详细的试验后，提出 射流泵各部件的合理尺寸，并指出采用多喷嘴可缩短喉管长度。1 9 6 4 年j h 威 特( w i t t e ) 提出利用1 9 孔的多喷嘴液气射流泵，使该泵的等温压缩率效率超过 4 0 。我国广东省轻工业机械设计研究所曾设计了多喷嘴水喷射真空泵。近年 来，国内做了多喷嘴射流真空泵的实验研究田】，将多喷嘴聚焦射流改成环状 射流以改进射流泵的性能并研究了附壁效应与自吸性能之间的关系1 2 4 西j 。而在 国外，也开展了多喷嘴喷射器性能计算模型1 2 6 ，”j 、高夹带比射流泵的分析与实 验研究f 2 8 ，29 1 、多股射流横向喷入有约束管流过程的模拟口o 】等。国内外的学者所 作的理论和实验研究已证实，在利用多喷嘴及脉冲喷射时，可明显的提高射流 泵及喷射器的传能效率。利用长喉部射流泵可大大提高液体抽送气体的传能及 传质效率。综上所述，射流泵是一种有很大经济效益的机械设备，从目前的趋 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 势来看，它的发展方向是充分发挥其优点，提高综合效益。这就需要深入地研 究射流泵内部各种流动参数( 压力、速度、温度等) 的变化规律；研究与发展 各种新机理、新结构的射流泵，以提高它的传质和传能效率。但是从目前看， 国内外除了对单喷嘴射流泵的结构参数及性能优化有比较深入的研究外，对于 多喷嘴射流泵的研究工作则相对要少得多。 本文综合考虑了以上分析的有关因素，对多喷嘴射流泵内部流场进行了数 值模拟研究。 1 2 2 射流泵研究方法的发展 自从2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算流体力学的飞速发展，促进了研究流 体运动规律的主要方法，如实验研究和理论研究的发展。同时，为简化流动模 型提供了更多的依据，使很多分析方法得到发展和完善。理论分析、实验研究 方法和数值模拟已成为当前研究流体运动规律的三种基本方法p l ”j 。 理论分析是最早也是最基本的研究方法，同时也是实验研究和数值模拟的 基础。射流泵基本性能的理论研究，可分为统计数学方法及流体力学方法两大 类。统计数学方法根据实验数据，拟合出计算公式，简单方便，如：a j 斯捷 潘诺夫和b _ 3 弗里德曼。但由于受试验资料及条件的影响，其应用范围受到限 制，缺乏普遍的指导意义。流体力学方法一般利用流体力学的基本定理，推导 理论方程，并利用试验数据，确定方程中的系数，如：j 高斯兰( g o s l i n e ) 的 一元流法和b j 希尔( h i l l ) 的二元流方法。由于受简化条件的限制以及采用 了许多与实际并不相符的假定与经验系数，流体力学方法在实际应用中有一定 的局限性。可见，运用理论分析对射流泵内部流动认识的程度是有限的，单纯 依靠理论分析的方法对射流泵内部流动进行研究远远满足不了工业工程发展的 实际需要。 由于理论分析的局限性，实验研究成为研究射流泵内部流动的另一种重要 方法。目前对射流泵基本性能的研究主要还是基于试验研究的基础上。实验研 究通过对射流泵模型的内部流动进行观测分析，相对而言可以综合考虑影响流 动的各种因素，结果比较客观可靠。但是，试验研究不仅成本高，周期长，而 且各尺寸的变化难以保证连续性。这就导致目前用试验方法给出的射流泵的优 化尺寸偏差较大，使射流泵实际上不一定在高效区工作。并且，实验的手段、 数据的精度和可靠性受测试仪器仪表和环境的制约和影响，对流场的整体分析 能力和细微流动结构的分析的能力有限。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 而采用数值模拟的方法，对射流泵内部的流动进行计算，进而对其性能进 行数值试验，可以很好地解决上述问题【33 1 。因为数值模拟降低了研究成本，周 期短，所以国内外应用c f d 进行数值模拟试验已很普遍。目前已有的比较著 名的大型商业计算机软件有：f l u e n t , c f x ，s t a r c d 等。 自从n s 方程提出之后，就有大批的学者致力于通过数值计算的方法来研 究实际流动问题，近代电子计算机的发展更是促进了数值计算的发展。1 9 6 5 年 成立计算流体力学学科，1 9 6 8 年在美国s t a r t f o r d 大学举行了被誉为“湍流奥林 匹克”的讨论会，此后计算湍流微分方程的发展十分迅速，关于湍流数值计算 的方法不断问世，如1 9 7 2 年s i m p l e 算法被提出，在计算流体力学及计算传 热学中得到广泛应用。经过多年的迅速发展，计算流体力学( c f d ) 技术包括 物理模型，高精度计算方法，网格生成技术，自适应计算技术，计算结果可视 化等均取得了长足进步，日趋成熟。 c f d 技术作为一种崭新、强大而有效的研究工具己开始广泛应用于流体机 械内部流动的研究中。它主要是从流体机械的内部流动机理入手，研究影响其 结构效率的参数，以提高整体效率。八十年代以来，随着计算机技术和计算技 术的高速发展，流体机械内部流动求解开始进入用数值模拟代替模型实验的时 期，流体机械c f d 己成为当前国际上最活跃的研究领域之一，并且正朝实用 化、产品化的方向发展。可以预见，随着计算机技术和计算技术的不断发展， 数值模拟分析方法将成为一种研究流体机械内部复杂流动的强大而有效的工 具，是理论分析和实验研究不可替代的研究方法。数值模拟这种研究方法自从 诞生以来，就显示出强大的生命力，得到了迅速的发展。 c f d 技术也已经被应用于各种有关流体流动的科学研究中，并且取得很多 的成果 3 9 1 。在射流泵的理论研究与结构优化设计中，已有很多采用商用 c f d 软件或自编程序进行数值试验研究的例子，内容涉及射流泵内流场的计算 f 4 0 - - 4 6 1 ，以及叶片泵内流场模拟与性能预测及结构优化等f 4 7 螂】。在泵的研究和 设计中，c f d 数值模拟试验将起着越来越重要的作用。 1 3 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容以及研究方案如下： 1 单喷嘴射流泵内部流场的计算 2 0 世纪9 0 年代，针对射流泵在工程实际中的应用，国内也进行了一系列 的研究，但是一般都是将流场简化为二维轴对称平面，或者缩小了计算域，没 哈尔滨工业大学j = 学硕士学位论文 有全面的考虑各种因素，本文在扩大了单喷嘴射流泵计算域( 包括了喷嘴入口 和吸入室入口) 的前提下，c f d 软件选用f l u e n t 6 0 ，几何建模与网格生成 选用前处理器g a m b i t 2 0 ，对射流泵内部流场进行三维数值模拟研究，并与 已有的实验值进行比较。 2 多喷嘴射流泵内部流场的分布规律 多喷嘴射流泵的工作原理是由多束高速喷射的流束，将周围的被吸流体强 制性的攫取和夹带，使吸收室内的压力降低，从而源源不断的吸入被吸流体。 单喷嘴射流泵与多喷嘴射流泵虽然工作原理一样，但射流结构却是不同的。在 单喷嘴射流泵内，工作流体由喷嘴射出，只有一束，而相应的多喷嘴射流泵却 有多束的工作流体，这样增大了工作流体与引射流体的接触面积，使两股流体 在较短的喉管内充分混合，减少了摩阻损失。多喷嘴射流泵与单喷嘴射流泵一 样，也是以一组无因次参数来表示其基本性能的，如：流量比、压力比、面积 比和密度比，但这里的多喷嘴的面积比是指喉管截面积与多个喷嘴出口截面积 的和之比。首先选择一组多喷嘴射流泵的结构参数，喷嘴数目首先选定为4 个，采用不同的喉嘴距，然后对多喷嘴射流泵内部的流场进行模拟计算。分析 其内部流体流动规律。 3 喷嘴个数对射流泵流场分布的影响 喷嘴的个数增多，增加了工作流体与引射流体的接触面积，混合更加均匀 充分，对改善射流泵的内部流场分布是有好处的，但是不是喷嘴的个数越多就 越好，这需要进一步的研究。本文分别选择了三个、四个和五个喷嘴，在不同 的喉嘴距情况下，然后分别进行其内部流场的模拟计算，分析比较不同的喷嘴 个数对射流泵内部流场分布的影响。 4 喉嘴距对射流泵性能的影响 喉嘴距是影响射流泵性能的主要因素之一，针对不同喉嘴距的多喷嘴射流 泵，分别进行其内部流场的模拟计算，分析不同喉嘴距的射流泵性能的变化规 律，及最佳喉嘴距随喷嘴个数的变化规律。 堕竺堡三些奎兰三兰罂圭耋堡竺兰 2 1 引言 第2 章射流泵的理论概述 早在1 6 世纪，人们就已经发现了射流的混合现象。经过几个世纪的不断 研究与探索，尤其是到了2 0 世纪3 0 年代，随着流体动力学及空气动力学的发 展，使得喷射技术的应用与研究得到进一步的推动与发展。从最初的研究射流 现象，建立射流泵的设计理论基础，到对射流泵进行系统的实验研究，建立射 流泵及喷射器的计算方法，然后分析阻力损失，寻找提高射流泵效率的途径等 等。 目前，随着对射流泵的不断深入研究，射流泵的理论分析与研究、基本性 能方程和设计计算方法等都已经比较成熟了。近年来射流泵与喷射器在国内外 发展很快，已普遍应用于国民经济各行业。目前我国在水利、电力、交通、化 工、轻工、冶金、石油、矿山、环境保护、核工业等行业正在逐步推广使用， 取得了很大的经济效益。 2 2 射流泵的工作原理 射流泵与喷射器的工作原理一样，部是利用射流紊动扩散作用，进行传质 传能的流体机械和混合反应设备。射流泵的基础源于有限空间射流。具有一定 压力的工作流体经过输入管路进入喷嘴，然后以很高的速度射出，在喷嘴出口 处，由于射流与空气间的粘滞作用，工作流体把喷嘴出口附近的空气带走，则 在喷嘴出口附近形成真空，在外界大气压力作用下，被吸流体进入吸入管路， 并且随同高速工作流体一同进入喉管。两股不同压力的流体，在混合室( 即喉 管) 内产生质量和能量的交换。工作流体将能量传递给被吸流体后，工作流体 的速度及压力减小，而被吸流体的速度增加，在混合室出口处两股流体的流速 渐趋一致，随后进入扩散管。混合流体在扩散管内速度降低，部分动能转换为 压能，增压后输出。 射流泵的工作原理图见图2 1 所示。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 0 56 l 工作流体输入管路；2 - - 喷嘴：3 被吸流体吸入管路 4 喉管( 混台室) ；5 扩散管；6 排出管 图2 - 1 射流泵工作原理简图 f i g 2 1t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f j e tp u m p 2 3 射流泵的几何结构及基本参数 0 虽然在射流泵中的工作流体的高能头可能是从其他的流体机械获得的，但 就射流泵本身而言，完全没有运动的机械构件，易于密封，工作可靠，再加上 它本身具有自吸能力，在许多特殊的使用条件下、应用场合中，具有独到的优 势，在很多部门有着良好的应用前景。 2 3 1 射流泵的几何结构 射流泵的几何结构见图2 2 。 射流泵是一个由喷嘴、吸入室、喉管( 混合管) 、扩散管及排出管等零部 件构成的一个工作装鬣，没有运动部件，在最紧凑的情况下甚至就是单个零件 的流体机械。喉管入口采用收缩圆锥形，圆锥形扩散管的作用则是把射流泵喉 管出口处的动能转变为压能。扩散损失与扩散管入口流速分布、扩散角及扩散 断面直径比d 。助，有关。在抽送泥浆时，要保证喉管入v i 和喷嘴间的环形面 积、喉嘴距、喉管直径等足够的大，以便能通过最大粒径的固体颗粒。 哈尔滨工业丈学工学硕士学位论文 图2 - 2 射流泵几何结构 f i g 2 - 2t h eg e o m e t r y s t r a c t u r eo f j e tp u m p 2 3 2 射流泵的基本参数 射流泵的参数包括几何结构参数和无因次参数。几何结构参数主要有：工 作流体入口内径d 。；喷嘴出口直径眈：吸入流体入口内径d ，；喉管直径d ，： 喉管长度l 。；扩散管出口内径d 。；喷嘴的收缩角口：扩散管的扩散角；喉 嘴距三。等。见图2 2 所示。 射流泵的无因次参数主要有：压力比h 、流量比外面积比m 和密度比p 。 等。 咣= 豢= 鬻 则，h = = 凳= 器燃口，o 上作侃肾1 睁忧研l 里 堕查堡三些奎兰三耋堡圭耋堡篁圣 面砒：埘= 蒜揣 蛳e ：瓦= 去= 鬻 吸入酬= 会= 勰罐爿 2 4 射流泵的基本性能方程 射流泵的基本性能方程就是由2 3 2 节所提到的一组无因次参数来表示 的。 射流泵基本性能方程h = f ( m ，q ，p ) 表达了射流泵内压力、流量和几何 尺寸之间的关系，对于给定了几何尺寸的射流泵而言，其压力比随着流量比和 密度比的变化而变化，同时该方程也反映了射流泵内能量变化及各主要部件 ( 喷嘴、喉管、扩散管) 对射流泵性能的影响，是设计、制造射流泵的理论依 据。我国学者陆宏圻在如实地考虑了射流泵的众多影响因素的情况下，运用流 体力学及射流理论，导出了射流泵基本方程与动量修正系数方程组，运用计算 数学的方法，求出了这个非线性多元方程组的数值解。并且，建立了统一形式 的液体射流泵基本方程，这个方程概括了国内外各基本方程所表述的客观规 律。针对各个不同的断面列出连续方程、动量方程和能量方程，经整理，得到 液体及液固射流泵的基本性能方程式，详细推导过程见文献 1 】。 怖伊；降( 地小装 学一趔掣 上式中， 咖”去( 旷七， 疋：_ j ，+ 告( 叩p s 卢。一七。) 七? 2 豇? + 瓦p 5 卢c 一七力 )q川旦店0 一 ，纷 一 ， r 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 丑2 历可面2 i f , 网 j = 其中，妒，喷嘴的流速系数； 9 ：喉管流速系数； 妒，扩散管的流速系数； 妒。喉管入口段流速系数； m 卜+ 纠 纷喉管进口段的流速率； 口射流泵喉管进口函数； p 。喉嘴距的收缩半角： c ，喉管入口处壁面反力分布系数 c c 。一鼬。妇一阳 + + 、j、j c c 一 一 ， ， ，【，【 i i i i g 一1 一1 = ，筹 = 一一 c 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 七，、k2 喉管进口由于工作流体与被吸流体速度分布不均匀影响的 动量修正系数； j 喉管出口流速分布不均匀影响动量修正系数； ，、u ，、，i i 、i i i i 、i i i i i i 断面固体颗粒与液体之间速度 滑移修正系数； 黝0 、甜0 。“；分别为固体颗粒在i i 、i i i i 、i i i 一i 断面的平均 流速： “。，、“。、“，一一分别为液体在i i 、i i i i 、i i i i i i 断面的平均流 速； 瓦吸入液固混合流体的饱和密度比，瓦= 争 射流泵的基本性能方程实质上是射流泵内部有限空间射流流动的宏观特性 的表示，即在一定的几何尺寸下，工作流体与被吸流体之间传递能量的程度。 2 5 射流泵的效率 射流泵的效率是输入射流泵的功率与射流泵输出的有效功率之l k 。射流泵 的效率表达式可以通过以下方法推导得出， 射流泵的压力为： 瓴= h 害p 名坛p 寸h 卷2p 占忆p 占 沼z ， 射流泵的工作压力为： 峨= 卜芸p o g + z o p o g _ ( p ，印甸 弦， 则射流泵的输入功率为： p 人= g ，。( p 。一p 。) 吼阶( ( p 。+ 。v 妻op o g + z o p o g t 丢斛z 圳 ( 2 4 ) 篁堡堡三些查耋三兰堡圭兰堡篁兰 射流泵的输出功率为： 尸出= g p 。 所以，射流泵的效率可以表示为： 。：血：业 p 1 一h 2 6 本章小结 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 在农业、轻工、化工、水利等国民经济的各个部门，射流泵是一种应用广 泛的流体机械。从目前的发展趋势来看，对于射流泵的研究主要是充分发挥优 点，以提高综合效益。而要做到这一点，就必须对射流泵的基本理论有所了 解。本章在2 2 节首先讲述了射流泵的基本工作原理，并在此基础上，在后续 几节中，详细地介绍了射流泵的基本组成结构、主要的几何参数以及一组用于 表示射流泵基本性能的无因次参数，同时给出了射流泵基本性能方程及效率的 表达式。 堕尘鎏三些奎兰三耋塑圭兰堡篁三 3 1 引言 第3 章射流泵内部流场的数值模拟 用数值模拟的方法来研究流体的流动问题极大的降低了实验费用，节约了 研究成本，国内外现在采用c f d 程序进行数值实验来进行科学研究已比较普 遍。如绪论中所述，在流体机械的内部流场研究与结构优化设计中，已有很多 采用商业c f d 软件或自编程序进行数值实验研究的例子。在对射流泵的研究 中，涉及射流泵性能的数值计算、射流泵内部流动的数值模拟、射流泵喉管最 优长度的数值计算、基于弱可压缩理论的射流泵流场数值预报、采油射流泵内 流场数值模拟等。 在第1 章中已经分析了在以往对射流泵的研究工作中存在的不足，如果想 要全面、细致的分析射流泵的内部流场规律，就必须充分的考虑射流泵的实际 几何形状，扩大计算域，同时，在多喷嘴射流泵与单喷嘴射流泵之间，尽管工 作原理是相同的，但由于射流结构改变了，则射流泵内部流场也要相应的变 化。而想要得到这些相关的信息，通过数值模拟实验得到射流泵内部流动信息 对流场进行研究是必要的。本文工作的主要内容就是通过数值模拟的方法研究 多喷嘴射流泵的性能以及喷嘴个数对其性能的影响。在本章中针对本课题的研 究内容，对数值实验的方案进行设计。方案设计包括对所要研究的射流泵模型 以及射流泵内部流动工作介质进行选取。 方案设计是数值实验的前期工作，对选择的不同喷嘴个数的射流泵在不同 的喉嘴距情况下内部流场的求解是数值实验的主要内容。流场的数值求解又包 括多方面的内容，本章中介绍了此次射流泵内部流场数值模拟计算中流场数值 求解所采用的数值方法，包括所采用的描述流体流动的控制方程，湍流模型， 离散方法与边界条件的设定。数值求解方案。同时与射流泵内部流场求解相关 的前期工作还有对射流泵模型进行几何建模、计算网格生成的工作。 通过对流场的数值求解得到了射流泵内部流动的详细信息，然后要根据需 要对所得到的大量数据进行选择和处理。 里尘堡三些奎兰三兰望兰耋堡篁兰 3 2 数值模拟方案 射流泵的性能如何可由其内部流体的流动来确定，因此得到射流泵内部的 流动信息就可以确定其基本性能方程，相应的效率也就可以算出。所以对射流 泵性能的研究可以从研究射流泵内部流场出发，这是本课题通过数值模拟方法 来研究射流泵的出发点。而射流泵内部的流动由射流泵的几何形状和流动的工 作介质的性质及其运行的工况决定，所以在对数值模拟计算方案的设计中需要 对这三个方面进行考虑。下面主要对射流泵选择的方案及工作介质的选择方案 进行设计说明。 3 2 1 射流泵模型选择 本文主要研究水平射流的多个喷嘴的射流泵内部流场分布规律及不同的喉 嘴距对射流泵性能的影响的问题。对于所研究的问题来说，首先需要验证所采 用的数值模拟方法的正确性和可靠性。本文选取了一组有实验数据的单喷嘴射 流泵模型进行数值模拟计算，见文献1 ，5 0 。 表3 1 单喷嘴射流泵模型的结构参数 t a b l e 3 1s t r u c t u r a lp a r a m e t e r o f s i n g l en o z z l e j e tp u m p d n上。d 3厶d 。l l 2l a ( m m ) ( m m ) ( m m ) ( m m )( m m )( m m ) ( m m )( m m ) 2 02 04 02 8 06 81 4 07 02 2 8 d 。幽d1 1如三d _ b ( m m )( m m ) ( m m ) ( m m ) ( m m ) ( m m ) ( 。) ( 。) 5 05 09 01 0 01 0 09 1 81 353 5 对相同几何尺寸、相同工况的射流泵的内部流场进行模拟计算，并与已 有的实验值及模拟值相比较。在验证了所采用方法的可行性后，分别采用三个 喷嘴、四个喷嘴和五个喷嘴的射流泵，即改变工作流体的射流结构，由单束射 流改为三束、四束和五束射流。三个喷嘴和四个喷嘴的射流泵其喷嘴是呈环状 沿圆周均匀分布的，而五喷嘴射流泵则是一个喷嘴居中，其余四个喷嘴在外部 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 沿圆周均匀分布。在流量比、面积比不变的情况下，由于受射流泵喉管内径d ， 的限制，多束工作流体的入口内径变小，相应的入口流速增大，计算不同喉嘴 距的情况下其内部流场的分稚。这里多喷嘴射流泵的面积比 喉管横截面面积 硕磅西百截面顼乏莉。 三个喷嘴射流泵：工作流体入口内径d 。= 2 2 m m ；喷嘴出口直径 d 。= 1 1 5 4 7 m m 。四个喷嘴射流泵：工作流体入口内径砒= 1 8 m r a ；喷嘴出口直径 d 。= 1 0 n u n 。五个喷嘴射流泵：工作流体入口内径d 。= 1 3 m m ；喷嘴出口直径 d 。= 8 9 4 4 m m 。射流泵其余尺寸不变。以五个喷嘴射流泵为例，其结构简图参 见图3 一l 。 图3 - 1 五喷嘴射流泵几何结构 f i g 3 1t h eg e o m e t r y s t r u c t u r eo f f i v e - n o z z l e j e tp u m p 3 2 2 流体介质选择 本文主要研究多个喷嘴在不同的喉嘴距情况下，水平射流出流对射流泵性 能的影响，基于同一流体介质具有很好的可比性。而水由于它的可压性小，可 以考虑为不可压缩流体，单相流场计算相应的要简单许多。所以本文中选择水 作为射流泵的工作流体介质及被吸流体介质。 嗡尔滨工业大学工学硕上学位论文 3 3 流场数值求解方法 本文中射流泵内部流场的数值模拟计算采用f l u e n t 公司开发的著名的 商用c f d 系列软件之一f l u e n t 6 ，0 为流场的数值求解平台来进行。本节对所采 用的流场求解的数值方法进行说明，主要包括所采用的描述流体流动的控制方 程，湍流模型，离散方法与边界条件的设定，以及数值求解方案等。 3 3 1 控制方程 任何流动系统中的流体运动都必须遵守基本的物理守恒定律，即：质量守 恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，而控制方程正是对这些守恒定律的数 学描述。相对应的控制方程分别为质量守恒方程( 也叫连续方程) 、动量守恒 方程( 也叫动量方程) 和能量守恒方程( 简称能量方程) 。描述流动现象的最 基本的方程是动量方程，又称为n a v i e r - s t o k e s 方程，简称n s 方程。由于高 速射流及复杂的几何形状等因素，射流泵内部流体的流动为湍流运动。湍流带 有旋转流动结构，即湍流涡。湍流的一个重要特点是速度和压力等物理量在时 间和空间上均具有随机性质的脉动，这种脉动可能是大尺度的、低频的，也可 能是小尺度的、高频的。如果对n s 方程直接求解来得到这种湍流运动的解， 因为需要容量和计算速度要求都很高的计算机资源而受到限制。所以，一般情 况下部是对方程进行一定的简化与处理，同时补充反映湍流特性的其他方程，