（流体机械及工程专业论文）脉冲液体射流泵装置性能理论与试验研究.pdf

华北水利水电学院硕士论文 脉冲液体射流泵装置性能理论与试验研究 摘要 脉冲液体射流泵装置性能是进行射流泵及其装置优化设计的理论基础。本文 对不同装置类型的脉冲液体射流泵装置性能方程进行了推导，对典型装置性能进 行了数值计算，并进行了相应的试验研究。 第一章在充分阅读了国内外大量文献和总结前人工作的基础上，对脉冲液体 射流泵装置研究的意义及现状进行了阐述。第二章叙述了射流泵的工作原理、装 置类型，并给出了脉冲液体射流泵基本性能方程。 第三、四、五章是本文的重点。第三章运用非恒定流体力学理论推导出了脉 冲液体射流泵三类六种装置性能方程，并与恒定液体射流泵装置性能方程进行了 对比。第四章介绍了不同脉冲液体射流泵装置性能工况点的确定方法和步骤，首 次对第1 。种装置性能及工况确定进行了数值研究。第五章对第1 。种装置性能进 行了恒定和脉冲两种情况下的试验研究，试验结果与数值计算结果吻合较好。 关键词：脉冲液体射流泵，装置性能方程，数值计算，试验研究 华北水利水电学院硕士论文 s t u d i e s0 nt h e o r ya n de x p e r l g e n to f d e v i c ep e r f o r m a n c e0 fp u l s e dl i q u i dj e tp u m p a b s t r a c t d e v i c ep e r f o r m a n c eo fp u l s e dl i q u i dj c tp u m pi st h et h e o r yb a s i sf o ro p t i m i z e d d e s i g no fj e tp u m pa n dd e v i c e d e v i c ep e r f o r m a n c ee q u a t i o n sr r cd e d u c e df o r d i f f e r e n td e v i c e s n u m e r i c a lc a l c u l a t i a n de x p e r i m e n tr e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n e i nc h a p t e r1 ，t h es i g n i f i c a n c ea n dp r e s e n ts i t u a t i o na b o mt h es t u d yo nd e v i c eo f p u l s e dl i q u i dj e tp u m pa l ee x p o u n d e db a s i n go nt h es u m m a r yt 0al a r g ea m o u n to f l i t c r a t u r ei i lh o m ea n da b r o a d i nc h a p t e r2 ，j c tp u m p sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dt y p e so f t h ed e v i c ea r cm u o d u c e d , t h es i m p l i f i e d 如n d a m e n t a lp e r f o r m a n c ee q u a t i o n sa l ea l s o 西v e no u t t h ec o n t e n t sf r o mc h a p t e r3t oc h a p t e r5a r ce m p h a s i s i nc h a p t e r3 p u l s e d l i q m dj c tp u m p ss i x 虹n d so ft h r e et y p e sd e f i c ep e r f o r m a n c ee q u a t i o n sa r ed e d u c e d u s i n gu n s t e a d yn l i i dd y n a m i c st h e o r y , t h e nc o m p a r e dt 0t h es t e a d yl i q n i dj e tp u m p s d e v i c ep e r f o r m a n c ee q u a t i o n s i nc h a p t e r4 ，t h ef i x c dm e t h o d sa n ds t e p so ft h e w o r k i n gc o n d h i o np o i n t s o nd i f f e r e n td e f i c e so fp u l s e d l i q u i dj e tp u m p sa r c i n u o d u c e d ，t h en u m e d c a lm s e 对c h e so fd e v i c ep e r f o r m a n c ea n dw o r l ( i n gc o n d i t i o n p o i | i t so niah a v e b e e nd o n ef i r s t l y i nc h a p t e r5 ，e q u i p m e n tr e s c 甜c h e so ns t e a d ya n dp u l s e dc o n d h i o n so fiah a v e b e e nd o n e ，t h ee q u i p m e n tr e s u l t sa n dc a l c u l a t i o nr c s u l t sa r ea 黟c ew i t he a c ho t h e r k e y w o r d s ：p u l s e dl i q m d j = p u m p , d e f i c ep e r f o r m a n c ee q u a t i o n s n u m e r i c a lc a l c u l a t i o me x p e r i m e n ts t u d y 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规 范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它教育机构 的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：嬲莨 签字日期： 、 保证人导师签硼 以彳 签字隰叩彳彳 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北 水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学位论文在解密 后应遵守此规定) 学位做作者躲轴霞新繇 签字日期 w 以“ ， 签字日期：撕夕巧以 华北水利水电学院硕士论文 1 1 研究的目的及意义 1 绪论 脉冲射流是非恒定射流的一种。 非恒定射流是指流动状况中任一点的工作参数( 压力和流速) 随时间在不断 的发生变化。根据工作参数随时间变化的特征，非恒定射流可分为周期脉冲射流 ( 称脉冲射流) 和瞬变射流两类。在非恒定射流流动状态中，任一点的工作参数 每隔一个称为脉冲周期的固定时间间隔重复出现时，或者说任一点的工作参数随 时问发生周期性的变化，这样的射流称为脉冲射流；当流动状态中任一点的工作 参数随时间不产生周期性变化时，称为瞬变射流n 町。 大量实验表明非恒定射流泵能够大大提高射流泵的效率，因此研究非恒定射 流泵对加速喷射技术的推广应用有重大的意义和实际作用。本文主要研究脉冲射 流。 液体射流泵是以高压高速液体作为工作介质，通过流体质点的紊动扩散作 用，把能量和质量传递给被抽流体的一种流体机械和混合反应设备，由喷嘴、喉 管、扩散管及吸入室组成：有压流体通过喷嘴以一定速度射出，在射流紊动扩散 作用下，吸入低压流体，两股不同压力的流体，在混合室内产生能量和质量交换， 工作流体速度及压力减少，被吸流体速度增加，在混合室出口处两股流体的流速 趋于均匀，混合流体流经扩散管，部分动能转化成压能，增压后输出。1 。 正如上所述，射流泵的工作原理是利用射流的紊动扩散作用，使一、二次流 之间交换能量、质量来达到的，其内部没有过流部件，具有结构简单、工作可靠、 加工容易、维修管理方便和便于综合利用等优点，有利于输送有毒、易爆、易燃 和放射性介质等等。目前在国内外，射流泵技术已被应用于水利、电力、交通、 冶金、石油、化工、环境保护、海洋开发、核能利用、航空及航天等国民生产生 活的各个部门。例如，对有毒、易燃、易爆及放射性流体输送，必须尽量避免泄 漏，它们都设置在有屏蔽的设备室内，采用远距离操作的免维修设备，像蒸汽喷 射器、空气升液器及真空虹吸管等，但这些设备存在一些不足之处，使用有局限 性；又如，蒸汽喷射器会加热和稀释液体，当被输送液体的温度高于7 0 。c 时， 华北水利水电学院硕士论文 蒸汽喷射器就会停止工作。空气升液器及真空虹吸管没有排液压头，在输送液体 过程中，由于液气混合，会产生大量污染废气，需进行气体净化，此类情况若采 用射流泵技术可以使整个工艺流程和设备大为简化，并提高其工作可靠性，特别 是在高温、高压、真空及水下等特殊工作条件下，采用它更能显示出其独特的优 越性脚；再如，把射流泵和离心泵组合在一起作为深井提水装置；在水电站中， 射流泵用于水轮机尾水管和涡壳检修时的排水及机组技术供水“叫；在火电站中， 射流泵用于汽轮发电机组为冷凝器抽真空以及输送含有固体颗粒的液体；在原子 能电站中，大型射流泵可用作循环水泵“”1 。 从更普遍的意义上来说，射流泵内任何一次来流均是非恒定的，这是工程实 际中经常遇到的情况。例如，射流泵操作中启动与关闭过程；航空燃油系统中和 核反应堆中射流泵变工况工作以及流体中产生扰动等均是非恒定流的典型例子。 射流泵本身的结构优势给人们日常生活生产带来了巨大的方便，但同时也有很大 的缺陷，即其效率低于叶片类型泵。在节约能源、讲求效率的今天，这个问题尤 为突出。为此，各国学者寻找了各种办法来解决这个问题，但未有根本性的突破。 c r o w ，c h a m p a g n e “”( 1 9 7 1 ) 发现在自由射流中加入很小的周期性扰动会提高射流 的混合和卷吸能力；b r e m h o r s t ，h o l l i s “4 埘( 1 9 9 0 ) 的研究进一步表明，脉冲射 流的流场结构不同于定常射流，它可以大大提高射流的混合和卷吸能力；而 b i n d e r ，d i d e l l e “”( 1 9 7 5 ) 则研制出了推力比普通喷射器增加2 5 的脉冲式喷射 器，多喷嘴液体射流泵效率高达4 5 5 ( 第1 。装置) 。以上种种表明，采用脉冲式工 作流作为动力的喷射技术装置，在提高其效率方面效果显著，因而研究脉冲式射 流泵的性能具有更广泛意义与实用价值。 射流泵与供给它工作动力的管路系统和工作泵( 离心泵、往复泵等) 一起组成 射流泵装置，它们一般分为三类六种，分别以i 、与表示。第1 类装置是 射流泵与工作泵或输送压力水的管路并联，这种装置是把小流量的高压水变为大 流量的低压水，射流泵起了变压器的作用。第1 i 类装置是射流泵与工作泵并、串 联装置，射流泵给工作泵加压，而工作的出流量分为两个部分，一部分沿着管路 作为喷射泵的工作液流，它是个循环流量。另一部分流量通过输出管路送往用户， 它是有效流量。它的特点是用泵的一部分流量的能量来提高另一部分流量的扬 程，喷射泵相当于起到增压的作用。第类装置是工作泵与两台( 或多台) 串联 2 华北水利水电学院硕七论文 的射流泵并联，般常用在深井中解决离心泵吸程不足，深井泵加工制造困难等 问题”。 液体射流泵装置的性能是反映射流泵、工作泵和管路系统在装置吸入及出口 压力变化情况下的综合性能。在完成初步设计时，亦即在选定工作泵、确定了射 流泵与管路系统尺寸以后，必须进行射流泵装置性能的计算，以便确定在变工况 下，射流泵装置的工作流量、吸入流量、工作压力、出口压力及装置效率等参数。 脉冲射流泵装置与恒定射流泵装置最大的不同在于多了一个脉冲发生装置从而 产生了脉冲的工作流体，但是，脉冲射流研究的难度很大，目前对脉冲射流的研 究尚处于探索阶段“。嘲( b r e m h o r s t ，i t o l l i s ，1 9 9 0 ) ，对脉冲射流泵性能的研究 更是没有成熟的解决办法。另外，由于实际流体具有粘性，在管道中流动时必然 形成摩擦阻力，包括内摩擦阻力和边界层阻力，从而引起流动过程中的能量损失。 对管道中的流体进行分析和计算的时候，常常要运用能量方程，因此，分析和计 算能量方程中的阻力损失，即水头损失，就成为推导脉冲液体射流泵装置性能方 程的重点，脉冲液体射流泵装置性能方程与恒定液体射流泵装置性能方程的不同 也在于此。对非恒定管流，流体各运动要素与时间有关，故其摩擦阻力的处理较 恒定流复杂些。因此，对非恒定流摩阻损失的处理适当与否，直接影殉到结果的 正确与否( 尤其对于高粘性流体，高速流体，短管中的流体) “”“”。 脉冲喷射技术是由不同型式的脉冲喷射装置组成的工艺流程。脉冲喷射装置 由脉冲压力发生装置和脉冲喷射装置两部分组成。大量实验表明，脉冲射流又是 提高射流泵装置效率的有效措施h 2 “8 汹1 ，所以本文进行脉冲液体射流泵装置 性能的研究具有很重要的理论和实际意义。 射流泵装置性能是射流泵设计理论的一个重要组成部分。提高射流泵装置效 率，使泵尽可能长期运行在高效区，更是国内外学者所关注的问题。随着我国国 民经济的大力发展，脉冲射流泵装置必将在核动力工程、航空航天工程、化工与 环境工程、石油与深海开采工程和水利水电等实际工程中得到广泛的应用。尤其 是在面临能源紧张，倡导可持续发展，如何节约能源，提高设备效率的当今社会， 研究脉冲射流泵装置的性能不仅具有重要的理论意义，而且具有重要的现实意义 和战略意义。 华北水利水电学院硕士论文 1 2 国内外研究概况 在进行液体射流泵装置性能研究方面，国外学者做了不少工作。波特维奇对 射流泵第1 和第1 i 装置性能进行了研究，提出了利用图解法来确定其联合工况。 费罩德曼认为在井动水位变化时，射流泵装置工况同时变化。他导出了第装置 变工况性能方程。a g 汉森( a g h a n s e n ) 考虑了管路的阻力，导出了反映射流 泵及管路系统的性能方程。但国外学者在研究这个问题时，对射流泵装置内外的 相互影响因素，考虑和分析的不够全面。计算方法较繁杂。国内陆宏圻教授综合 考虑了射流泵、工作泵、管路系统的性能，导出了射流泵装置性能方程，结合装 置的边界条件( 上、下水位变化) 提出了数解分析法来决定装置的联合工况，方 程适用于各种不同的装置，具有普遍性“儿4 。 2 0 世纪7 0 年代以来，国内外学者为了提高射流泵的效率，采用了多级射流 。“、多股射流嘧1 等新型结构的射流泵，取得了一定的进展。1 9 7 1 年，法国学者 s c c r o w 和f h c h a m p a g n e “”揭开了对脉冲射流研究的序幕。在短短的二十几年 内，各国学者对脉冲射流进行了大量的试验研究，研究结果表明，在相同的射流 泵或喷射器装置上，采用脉冲射流比恒定射流的传能及传质效率提高了 2 0 3 0 ，甚至更高嘲1 ，而且脉冲射流装置在航空航天工程嘲1 协h 矧、核工业 工程n 2 m ”、水利电力工程脚蚓“”、石油钻探工程和化工及热力例胁1 等工程 上得到了大量的应用，取得了显著的社会效益和经济效益。 脉冲射流的研究最早起源于1 9 世纪中期。1 8 5 8 年。l e c o n t e 在一次音乐晚 会上发现气灯火苗随着大提琴的音调不断的有节奏的跳动，因此他发表了一篇题 为“ad e a fn l a nm i g h th a v es e e nt h eh a r m o n y ”的文章。1 8 6 7 年，t y n d a l l 对此现象进行了研究，他指出火苗的跳动是由通过气灯喷孔且将要变成紊动的燃 气射流对各种乐调敏感引起的。1 8 9 6 年，r a y l e i g h 的研究结果表明，由于脉冲 射流柱面上的涡街是不稳定的，因此当声波通过射流出口就会在射流柱面上不断 的产生表面波，而这些表面波加速射流成为脉冲射流，并增加了射流的混合率。 到2 0 世纪7 0 年代初，由于能源危机，人们才对研究脉冲射流产生了浓厚的兴趣。 1 9 7 1 年，s c c r o w 和f a c h a m p a g n e “”在射流出口旆加一个振幅微小的周期 性脉冲扰动，然后用热线流速仪和纹影技术对射流出口下游的脉冲流场的分布规 律进行测试，测试结果表明，当脉冲扰动为s t = o 3 的正弦波，而脉冲速度的均 4 华北水利水电学院硕士论文 方根为喷嘴出口速度的2 时，在距喷嘴出口4 倍于喷嘴直径点处，测得脉冲射 流的卷吸率比恒定流提高了3 2 ，这一结果立刻受到了各国学者的高度重视。 1 9 7 2 “1 9 7 5 年间，g b i n d e r 和m f a v r e m a r i n e t “7 儿删1 在气体工作管路上安装了 一个旋转蝴蝶阀来产生脉冲气体，然后对脉冲气体射流及其在航空助推气体喷射 器中的应用进行了试验研究。研究结果表明，脉冲气体射流喷射器的推动增长率 是恒定射流喷射器的1 4 倍，并指出这是由于脉冲射流轴线上的紊动强度比恒定 射流大，因此具有较高的扩散率和卷吸率，并已研制出推力比普通喷射器增加 2 5 的脉冲式喷射器。1 9 7 2 1 9 7 3 年，b q u i n n 啪1 嘲嘲对脉冲气体射流助推气体喷 射器进行了试验研究，结果表明，助推气体喷射器的推力直接与射流出口卷吸率 和混合率成正比，他指出射流混合率的增加有助于减小航空助推喷射装置的尺寸 和重量。1 9 7 4 1 9 7 5 年，h v i e t se 5 i 在飞机助推动力装置的反馈射流回路上安 装了一个脉冲射流喷射器，脉冲频率由反馈回路的长度来确定，结果增加了射流 的混合率和扩散能力，对飞机的垂直和短距起飞( v s t o l ) 产生了显著的影响。2 0 世纪7 0 年代初期，r m c u r r t e r 和j p g i r a r d 。”、l j s b r a d b u r g 和 a h k h a d e n 嘲、g e m a t t i n g l y 和c c c h a n g 捌等各国学者对脉冲气体射流进行 了试验研究，得出了与上述相同的结论，g e m a t t i n g l y b 9 1 还结合试验，经理论 分析给出了脉冲射流平均流速分布表达式。 1 9 7 7 年，w g h i l l 和p r g r e e n e 幽1 研制了一种利用喷嘴合理的几何结构自 激产生脉冲气流的装置，称为气笛喷嘴( w h i s t e rn o z z l e ) ，研究结果表明，当气 笛喷嘴发出清脆悦耳的声音时，脉冲射流的混合率就迅速增加，而脉冲射流中心 线上的流速衰减较快，并就喷嘴的几何尺寸对脉冲频率的影响进行了简单分析。 1 9 7 9 年1 9 8 1 年，k b r e m h o r s t “”儿埘等分别对全脉冲射流( f u l l yp u l s e d ) 和脉 冲中心射流( p u l s e dc o r e ) 进行试验研究和理论分析，得到了脉冲射流的时均速 度、射流扩展率和平均雷诺应力分布的表达式，并指出全脉冲射流的卷吸率和混 合率大于脉冲中心射流的卷吸率和混合率。1 9 8 1 年，地f a v r e - m a r i n e 和 g b i n d e r 叫1 也研制了一种利用喷嘴的不同几何结构产生脉冲气流的装置( 与 汽笛喷嘴结构完全不同) ，他们用不同的几何参数和气体动力参数对喷嘴出口处 的脉冲气流特性的影响进行试验，结果表明，喷嘴出口的气流摆角对脉冲射流的 紊动速度影响较大，其紊动速率基本按正弦型变化。1 9 8 2 年，p g p a r i k h 和 华北水利水电学院硕士论文 r j m o f f a t 1 对有限空间脉冲射流进行了试验研究，当脉冲频率等于有限空间试 管( c o n f i n e m e n tt u b e ) 的自然频率( 或称风琴管频率) 时，射流的卷吸率和混合 率比恒定流提高了2 0 “3 7 5 。p g p a r i k h 啪1 1 等分别对脉冲射流和恒定流的酒 精燃烧做了试验，试验结果表明，脉冲燃烧不但比恒定燃烧提高了燃烧值，而且 燃烧的灰尘大大减少，有利于环境保护。1 9 9 0 年，k b r e m h o r s t 和g h o l l i s n 町 指出正是由于脉冲射流流场分布不同于恒定流，才导致射流的卷吸率和混合率有 了较大的提高。8 0 年代初，由a g a 和l e n n o x 公司共同研究开发的l e n n o x 民用 脉冲燃烧暖风机，在商业上大获成功。1 9 9 5 年，国内学者秦朝葵、张同啪瑚1 等 对脉冲燃烧运用于暖风机、热水器上进行了研究。 在脉冲液体射流研究方面，a j w a l d e n 呻1 等为了提高磁流发电机的效率，研 制了用于输送华氏1 5 0 0 度高温熔化钾盐的脉冲式双级射流泵。8 0 年代初，在英 国核燃料公司的支持下，j g r a n t m l 等与s h e f f i e l d 和c a r d i f f 大学合作，利用 射流原理，研制了可逆流体转换器( r f d ) ( 即脉冲液体射流泵) 与脉冲压力发生装 置组成的r f d 流体提升装置( 即气液活塞式脉冲液体射流泵装置) ，并进行了工 业规模的装置试验，已应用于英国热轴后处理厂，取得较大的经济效益。1 9 8 2 年，j r t i p p e t t s 和g h p r i e s t m a n “”对r f d 流体提升装置的效率和稳定性进行 了理论分析。他采用脉冲过程压力不变的假定，导出了脉冲压力发生器及脉冲流 体提升装置总装置效率公式。脉冲压力发生器的效率与工作气体( 压缩空气) 压 力p p 、提升压力p c 、吸入压力p s 等有关。在国内，武汉水利电力大学陆宏圻教 授长期从事射流泵及喷射器的研究工作脚。1 9 8 6 年，陆宏圻教授与北京重型电 机厂合作，进行了脉冲式离心射流式真空泵的研制工作，并对其机理进行了研究， 提出了它的基本方程。1 9 9 5 年，龙新平教授嘲州推导了非定常射流泵性能方程 并进行了初步试验研究，试验结果表明，脉冲液体射流泵效率明显高于恒定射流 泵；同年，汪志明、沈忠厚“3 1 对脉冲射流流场进行数值研究，脉冲射流可提高石 油钻机效率高达3 0 9 6 左右。 至此，对脉冲射流的研究基本上处于试验研究阶段，对其理论方面研究的 报道极少，而且也只是就脉冲频率和射流泵的几何尺寸对实验结果的影响进行了 简单的理论分析，并没有对射流泵的基本性能进行研究。此后，1 9 9 6 年，高传 昌教授首次将射流泵全特性曲线运用于恒定射流泵装置流体过渡过程的数值计 6 华北水利水电学院硕士论文 算中，分析了恒定射流泵装置的瞬变运行工作参数随时间的变化，并着重就射流 泵全特性曲线对装置特性的影响进行了研究。1 9 9 7 年，高传昌教授“”在国内首 次提出了气液活塞式脉冲液体射流泵装置设计理论新体系，并进行了装置性能的 试验研究。2 0 0 0 年，高传昌教授运用脉冲液体的动量方程和能量方程，导出了 脉冲液体射流泵的基本性能方程，并根据脉冲液体射流泵基本性能试验数据的时 均值分布状况，给出了时均值基本性能方程的简化的经验计算式。2 0 0 1 年， 高传昌、陆宏圻m 。删刚等对影响气液活塞式脉冲液体射流泵装置效率的主要因素 进行分析，导出了脉冲液体射流泵装置率理论方程及其理论方程的时均解。结果 表明，在相同的液体射流泵装置上，采用脉冲射流的传能及传质效率，比恒定射 流有较大提高。脉冲液体射流泵时均效率的计算结果与国内外的试验结果基本一 致。但由于有限脉冲射流的流动机理目前尚不清楚，脉冲液体射流泵基本方程中 的某些参数还不能确定，所以，未能得到脉冲液体射流泵效率方程的理论解。同 年，张心凤“”o 等对脉冲射流泵性能及管道摩阻损失进行了实验研究，研究表明， 脉冲射流泵效率的提高与工作流体脉冲的频率、射流泵的面积比等的因素有关， 并在实验基础上得到摩阻损失规律。2 0 0 2 年，高传昌教授运用流体力学、湍流 射流理论和时均值计算方法，导出了脉冲液体射流泵时均值基本性能方程及其动 量修正系数方程组，并与恒定液体射流泵基本性能方程进行了对比，阐明了二者 之间的关系。2 0 0 3 年，康宏琳侧等对以往复泵为脉冲发生装置的脉冲液体 射流泵时均性能进行了数值计算，并将计算结果与实验结果进行对比，证明了采 用脉冲射流作为工作动力能够大幅提高射流泵的效率；同年，龙新平、姚昊“。 等利用v b 语言开发了一套可用于工程实际的恒定液体射流泵装置的辅助设计软 件。2 0 0 4 年，龙新平、蔡标华”等以第1 i 类装置为例，对恒定液体射流泵装置 进行了分析，推导出了装置的性能系数和装置求解的约束条件，并给出了相应的 装置工作点参数的求解步骤。2 0 0 6 年，高传昌教授嘲运用非恒定的动量方程和 对均值计算方法，对脉冲液体射流泵时均值基本方程中的流速系数进行了理论研 究，推导出了喉管和喉管进口段流速系数识和么的计算式，并通过与恒定射流 的流速系数计算式对比，阐明了脉冲频率是影响破和九的主要因素，沟通了脉 冲射流与恒定射流流速系数之间的关系；同年，高传昌、王玲花、尚华等汹 运用能量平衡分析原理，推导出了脉冲液体射流泵主要流动部件的能量损失压力 华北水利水电学院硕士论文 比的表达式，并对流动部件的能量转化与耗损及其对脉冲液体射流泵基本性能的 影响进行了分析；之后，尚华嘲对脉冲液体射流泵不同面积比下的动量修正系数 k 、k ，和喉管进口函数口与q 的关系进行了分析计算。 纵观国内外大量文献可知，目前对脉冲液体射流泵的研究己取得了可喜成 果，并产生了一些关于其机理、理论和试验研究的专题文献。虽然脉冲射流流场 的分布规律目前尚不完全清楚，但大量的理论分析及试验结果已经证明，脉冲射 流的传能及传质效率确实比恒定射流要高。但就目前所查文献可知，关于脉冲液 体射流泵装置性能方面的研究成果，仅是对某一典型装置性能进行的研究。为此， 本文在已有成果的基础上，对脉冲液体射流泵装置性能进行了更深入的研究。对 脉冲液体射流泵装置性能的理论和试验研究将是本文的中心内容。 1 3 本文研究工作概况 本文对脉冲液体射流泵装置的研究主要做了如下工作： 1 第一章是在大量阅读国内外文献资料的基础上，就脉冲射流的发展与应用 研究现状做了简要介绍，并简要地介绍了全文工作概况。 2 第二章对脉冲液体射流泵的工作原理、装置类型及其主要参数进行了简要 介绍；并给出了恒定与脉冲液体射流泵基本性能方程及其简化式，为下文进行脉 冲液体射流泵装置性能数值计算奠定了基础。 ； 3 第三章根据非恒定流体的能量平衡方程，推导出了脉冲液体射流泵三类六 种装置性能方程，并与恒定液体射流泵装置性能方程进行了对比，阐明了脉冲流 与恒定流装置性能方程之间的关系。 4 第四章以第二章给出的脉冲液体射流泵基本性能方程和第三章所推导出 的脉冲液体射流泵装置性能方程为基础，并联合工作泵的性能，给出了三类六种 脉冲液体射流泵装置工况点确定的方法、步骤及相应的电算框图，并对第1 。种 装置进行了恒定与脉冲两种情况下装置性能及工况确定的数值研究，给出了部分 典型工况下的计算结果并进行了分析。 5 第五章对第1 。装置性能进行了脉冲试验研究，详细介绍了试验原理、装 置仪器、试验方案及步骤；最后给出了部分典型工况下的试验结果，并将试验结 果与数值计算结果进行了对比分析，两者所得结论基本一致。 8 华北水利水电学院硕士论文 2 脉冲液体射流泵概述 2 1 射流泵的工作原理及分类“” 2 1 1 工作原理 射流泵是利用射流紊动扩散作用来传递能量和质量的流体机械和混合反应 设备。它由喷嘴、喉管入口、扩散管及吸入室等部件组成。它的工作原理是：有 压流体( 液体或气体) 通过喷嘴射出，在喷嘴口处由于射流边界层的紊动扩散作 用，与周围被吸流体发生动量交换，这两股流体在喉管入口段及喉管内混合，进 行能量和质量传递，于是工作流体的速度减少，被吸流体的速度增大，两者的速 度在喉管出口处渐趋一致。流体的压力在喷嘴出口处到喉管入口断面是降低的， 以后逐渐增高，通过扩散管将混合流体的动能转换成压能，压力进一步升高，流 体沿排水管排出。 其工作原理如图2 - 1 。 q s y s p s 1 - 喷嘴：2 - 喉管；3 - 扩散管；4 喉管入口段；5 吸入室 图2 - 1 射流泵的工作原理 c h a r t2 - 1w o r k p r i n c i p l eo f j e tp u m p 2 1 ，2 射流泵的分类 射流泵的名称和种类很多，目前还没有统一的分类方法。常用的有三种方法： 第一种是按工作及被吸流体的性质和物理状态分类；第二种是按工作与被吸流体 9 华北水利水电学院硕士论文 混合过程的热力学特点分类；第三种是按用途及结构分类。通常所指为第一种分 类方法。 其分类为：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) 的称为喷射器。根据被抽介质的物理状态，其分类如下表2 一l 。 表2 - 1 射流泵及喷射器分类 介质状态 名称 类别 工作流体被吸流体 液体液体射流泵 散状固体或泥浆 固体输送射流泵或 射流泵液体 泥浆射流泵 气体液气射流泵 液气混合流体液体射流混合器 气体气体喷射器 散状固体 气力输送喷射器 喷射器 气体 液体蒸汽热水喷射器 2 2 液体射流泵装置类型 射流泵与供给它工作动力的管路系统和工作泵( 离心泵、往复泵等) 组成射 流泵装置，它们一般分为三类六种，并分别以，、l 、厶与口、以、仍表示。 第j 类装置是射流泵与工作泵或输送压力水的管路并联，这种装置是把小流 量的高压水变为大流量的低压水，射流泵起了变压器的作用。在第，装置中，离 心泵通过b 管将工作水输入射流泵，后者通过c 管将工作水与被吸水一同向上 提升。第，。装置的特点是射流泵与离心泵在同一水池吸水。第厶装置的特点是 工作水来自有压水源( 水库、贮水池等) 。 第口类装置是射流泵与工作泵并串联装置、射流泵给工作泵加压。在第口类 装置中，离心泵的出水量分为两部分，一部分工作水流量q o 、经b 管向射流泵 供应，使后者从吸水池抽取流量q s ，另一部分经过d 管向压水池送水，这部分 流量等于射流泵的吸水量q s 。第以装置的特点是射流泵与两台离心泵或有两个 出口的多级泵串并联，多级泵将工作水流量q o 加压后，沿b 管向射流泵输送， 后者将吸上流量q s 与q o 沿c 管压送到多级泵，q s 从多级泵第一个出水口压送 1 0 华北水利水电学院硕七论文 到出水池，q o 从第二个出水口压回射流泵。 第肌装置是工作泵与两台( 或多台) 串联的射流泵并联，工作泵通过b 管 向两台射流泵供给流量q o l 与q 0 2 ，第一台射流泵将流量q 。吸上，连同q o l 向第 2 台射流泵压送，后者将吸上流量q 。和工作流量q o l 与q 0 2 一起提升到出水池。 q s 第1 装簧 第1 b 装置 。q 华北水利水电学院硕士论文 f q 3 第1 i q 装鬣 1 - 工作泵；2 闸阀；3 - 射流泵；4 - 出水池：b - 工作管；c 出水管；d 压水管 图2 - 2 液体射流泵装置 c h a r t2 - 2d i f f e r e n td e v i c e so f l i q u i d j e tp u m p 2 3 主要参数及定义 射流泵的基本参数有： 甜一工作液体的体积流量，酽s ； p o 、n 、岛分别为工作流体、吸入流体和混合流体密度，k g m a ； 流量呦= 象； 嚆= 羔蓦2 糕2 ； 1 2 华北水利水电学院硕士论文 面积比腓= 鲁；z - 密g t t t e - , ：丛；瓦：旦。 p qp n 2 4 恒定液体射流泵基本方程及其简化式 2 4 1 基本方程 岫a 篆鬻， 哆 ki 硝i 辨 r ，一1 、 一i2 一疗一专| 业学】 式中= 与+ ；i _ 翮( 尹5 n k l l ( c o s p 。仍l q i + 下伊5 再c o s p - 习k 2 口2 i 互互匾1 为喉管进口函数； 1 谚沏一1 ) 2 ，” 撑= ： ，竹一l ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 其中：仍为喷嘴流速系数；矿：为喉管流速系数；他为扩散管流速系数；吼 为喉管入口段流速系数；伤为喉管进口段流速系数；k ik ：分别为喉管进口断面 华北水利水电学院硕士论文 工作和被吸流体流速分布不均影响的动量修正系数；。，a ：，a ，分别表示喷嘴出口 断面、喉管入口及出口断面速度滑移的修正系数，当抽送液体为清水时可忽略滑 移效应，此时可取“= 鸬= 飓= l ；艿为喉管出口断面动量修正系数。 2 4 2 基本方程的简化式 实验和计算表明，液体射流泵的基本方程在工作区内呈直线变化，且直线部 分随面积比m 的增大，由陡峻渐趋平缓。根据射流泵的基本尺寸和计算数据，可 以将不同面积比的性能曲线拟合如下表2 - 2 ： 表2 - 2 恒定波体射流泵基知陛能拟合方程 面积比恒定液体射流泵基本性能拟合方程 所= 9 7 6 5 6 h = - 0 0 6 0 1 + q + o 1 8 0 7 m = 6 2 5 h = - 0 1 0 4 7 + q4 - o 2 5 6 5 m = 4 3 4 0 3 h = - 0 1 9 5 6 + q 4 - 0 3 4 9 5 m = 2 7 7 7 8 h = - - 0 3 6 9 9 + q 4 - o 4 5 4 1 考虑到射流泵压力比主要与面积比和流量比有关，基本方程可以近似用下 述直线方程表达嘲： h = f o ? 堡一g ) q o 上式中性能系数b o 、q 0 的表达式为 q o = ( 5 所一0 9 4 4 5 ) 。5 - 1 7 5 h o = 2 6 6 7 0 0 0 2 5 3 ( m + 2 6 0 7 1 2 q o = ( s i n 一0 9 4 ) ”一1 7 h o = 1 4 5 m 。” 1 4 0 5 m 3 1 0 5 m 3 1 ( 3 m 2 5 ) ( 3 m 2 5 ) ( 2 - 6 ) 华北水利水电学院硕士论文 2 。5 脉冲液体射流泵基本方程及其简化式m 小埘 脉冲液体射流泵基本方程h = f ( q ，m ，成，出) 是研究射流泵压力比、流量比与 脉冲频率及几何尺寸之间的关系的，它反映了泵内能量变化及脉冲频率和各主要 部件( 喷嘴、喉管、扩散管和吸入室) 对性能的影响。 对于脉冲射流泵内的流动来说，卷吸和混合能力的提高就意味着效率的提 高。当工作流体为脉冲式时，如果将射流泵喉管内部液体看成由直径等于喉管直 径，而长度为d x 的不同液柱组成，那么当工作射流流速达到最高值时，最靠近 喷嘴的那个液柱相应获得最多的能量，流速较高，称之为“高速液柱”，此“高 速液柱”依次将能量传递给后面的液柱。当工作流体开始减速时，这个高速液柱 已经往前移动了一个距离，而此时相应于此刻工作流体的液柱速度要慢，称之为 “低速液柱”。由于流体的连续性，“高速液柱”势必对后面的“低速液柱”有一 个“拉”的作用，即“低速液柱”势必加速赶上以填补“高速液柱”运动所造成 的空缺，此时“低速液柱”必须吸上更多的流体，以达到某种平衡。这种效应， 我们称之为“液柱活塞效应”，由于“液柱活塞效应”的存在，当工作流体很小 时，也会吸上相对较多的流体，因而会提高泵的效率。并且在一定范围内，工作 流体脉动频率越高，则“低速液柱”在相同时间内由于“液柱活塞”作用获得的 能量越多，即吸上的流体越多，效率会提高越多。 因此，脉冲式射流泵效率提高的原因可以从两个方面进行解释，首先，由于 工作射流的脉动，造成了射流卷吸与混合能力的提高，即射流的传能效率得到提 高；其次，射流泵内存在“液柱活塞效应”，也会提高射流泵的效率。但“液柱 活塞效应”还是一种假设，因此，脉冲式射流泵效率提高的机理尚待迸一步的研 究“”。 综上可知，有限脉冲射流的特性不同于有限恒定射流的特性，而且有限脉冲 射流的机理，目前还处于探索性阶段。康宏琳 4 9 j i s o 在高传昌教授m 1 1 4 4 1 1 4 5 1 推导的 气液活塞式脉冲液体射流泵基本性能方程的基础上，并对脉冲射流泵内部流场做 了适当假定后，根据脉冲射流的动量方程、能量方程和紊动脉冲射流理论，采用 准二维方法对脉冲液体射流泵基本性能进行了数值计算。 1 5 华北水利水电学院硕士论文 2 5 1 理论基础 ( 一) 脉冲液体的动量方程 非恒定液体的动量方程为 昙炉+ 驴妒炉+ 妒 ， 上式对一维流动的液体在l 与2 断面间积分( 略去重力) 得： 吉( g 2 屹屯一吼啪跏t = f = 2 p 挚= p ( x ) 等 1 v 式中 g l 、砘1 一l 断面上的平均重量流量和平均流速； g 2 、甜：2 2 断面上的平均重量流量和平均流速 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 毛、如l l 与2 - - 2 断面上的动量修正系数； 所 1 - 2 l 一1 与2 - - 2 断面间液体的惯性力； s ( x ) 1 一l 与2 - - 2 断面间的过流面积，它是x 的函数。 ( - - ) 脉冲液体的能量方程 一维非恒定总流的能量方程为 an 弱+ 萼一= + +等岛+岛巩+岛矾1-2(2-10)-i-p2 p 2 9 2 2an g z i + 二 一2 + + 昔岛+ 岛g 以+ 岛g 啊1 - 2 h i , l - 2 - - 瑶出 式中 以l 一1 与2 - - 2 断面间液体的水头损失； - l l 与2 - - 2 断面间液体的惯性水头。 1 6 华北水利水电学院硕士论文 2 5 2 基本方程 首先给出如下假定： l 、在射流泵内，脉冲液体的运动参数与射流泵内的位置x 无关，仅是时间 t 的函数，即射流泵内的液体运动按刚性理论研究。通过射流泵的工作流体为非 正弦型周期性变化的脉冲液体，其工作参数用傅立叶级数1 岫儿畸1 表示； 衍( f ) = 九p p q ( 2 一1 2 ) j l = - - 式中( f ) 一射流泵断面上不同时刻运动参数，如脉冲压力、脉冲流量等； 屯一i 断面上不同时刻运动参数的第n 阶谐量的振幅； 纸一i 断面上运动参数的脉冲圆频率。 方程( 2 - 1 2 ) 用实数表示为 死( t ) ：九+ 2 妻r e 瞄；。e j n m j t 】：2 蛾。+ 2 妻i 以。i c o s ( n m ；t + 仍。) ( 2 - 1 3 ) n = ln = l 2 、在同一时刻吸入流速u 。在圆台表面上均匀分布，而且吸入流速的方向与 圆台表面的外法线方向相平行。 在上述假定的基础上，列出脉冲液体射流泵相应的各个断面间的非恒定能量 方程和动量方程，联立求解，由射流泵压力比定义整理方程组后得脉冲液体射流 泵的基本方程为： m 唰 警+ ( 2 州一鲁s i i l 2 胁萼m 眦) 】2 1 4 ) 掰p ： 一 、 一( 2 一j 一刃) 坚二丛生严+ m 一一膨彬) 式中 1 7 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 觇 曲 蔓办 五 慨 ” 驴一厶 扣 璐 么n 小 一 唼 = r = 华北水利水电学院硕士论文 口 嘶2 1 - 1 a a t ( 2 - 1 8 ) ：。：i ，(219)a 2 = _ i r z 一 1 一旦盟约 舛“南 口，- 氅t j o i ( 岛矾，一一岛矾川) ( 2 - 2 0 ) q ( t ) = 2 e o 靠c o s n ( 国s c 弦+ 9 k 】 ( 2 2 1 ) n 。l m 一2 历2 磊( p l , l - 2 + p i , 2 - 3 ) ( 2 2 2 ) 蚝2 志( 风矾一- + 岛矾却) ( 2 - 2 3 ) 上式中：脉冲液体射流泵喉管进口函数；口为平均流动射流泵喉 管进口函数；卅惯性水头射流泵喉管进口函数；m 。为脉冲液体无因次 惯性力； 厶为脉冲液体无因次惯性水头；其他符号意义详见文献【l 】 2 】。 2 5 3 脉冲液体射流泵时均值基本方程 q o ( t ) = 亭r 鲰+ q 0 。s 咄纨，+ 三) 】毋= + 器s 觚d 虿而= 亭卜骁。s i n ( c o o t ) d t = 争脚s 殄1 】 一q a t ) = ；n 纵+ 繇s i 蛾，一三) 坤哦一鲁s i n ( t o , t ) 虿而= 吾n 吐瓯s 砥哪) 】毋= - 争- 1 一c o s ( c o , t ) 1 8 ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 华北水利水电学院硕士论文 万：甜 燮+ ( 2 依蛀一雩。i n ：绞) 。_ 丁n p , 【而】： m 舛