（水利水电工程专业论文）粒子图像测速技术在液体射流泵内部流场测试中的应用.pdf

摘要 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，在航空航天工程、化工与 环境工程、核动力工程、石油与深海开采工程和水利水电等实际工程中有着广泛的应用，但在 射流过程中会因两股不同压力的流体混合而产生较大的能量损失。在面临能源危机的今天，以 节约能源为出发点，探求射流泵的流场机理，致力r 提高射流泵的传能及传质效率，对喷射设 备的推广应用有重大的意义和实际作用。 本文采用粒子图像测速( p i v ) 的方法跟踪研究液体射流泵的内部流场，分析射流泵的传质 传能机理主要 _ 作包括以f 几个部分： 根据实验室条件和试验要求设计的一套台理的射流泵试验装置，整合好粒子图像测速系统， 包括光源系统、图像采集系统和示踪粒子等儿部分，此为试验的硬件系统。 根据射流泵的流场特点，结合流体常识，建立了了适用丁射流泵内部流场粒子图像处理的 软件系统，对试验的图像进行采集处理，包括图像处理、流动显示、流速检测、速度场分析以 及各种辅助功能。获得高质量的粒子图像是本系统的关键问题之一，它直接关系到对射流泵内 部流场测量分析的准确和精确度，本文采用了各种数字图像处理的方法对采集到的图像进行预 处理，包括图像的灰度变换、图像的平滑、锐化、中值滤波等；并对图像进行了详细的处理分 析，采用了一种从连续两幅粒子图像中快速提取流场速度的方法相关分析法，建立的对流 速场进行测量和分析的系统，它既适_ j 于稳定流动的流场分析，也适娟丁- 非稳定流动的流场分 析，如含有同流区与旋涡的复杂流动。由于采集设备曝光不足、示踪粒子分布不均以及噪音等 硬件因素和计算误差等人为因素，导致了流动图像质量的降低，因此获得的速度矢量图存在一 些错误矢黾，本文采用了各种方法对错误矢晕进行了剔除和插补。在软硬件兼备的条件下，本 文应用设计整合好的射流泵粒子图像测速系统进行试验，分析了恒定射流泵以及脉冲情况下的 射流泵效率，选择不同的流量比观测了射流泵各部件内的流场状态，根据得到的流速矢量分布 进行分析总结，得出试验结论。 最后归纳总结了整个试验过稗中的经验和不足之处，对以后的射流泵内部流场试验进行了 展望。 关键词： 液体射流泵，粒子图像测速，流动可视化，图像处理，相关分析，射流泵内部流场 a p p l i c a t i o no fp i vt e c h n i q u e f o r t h ef l o wm e a s u r ei nj e t - p i ，m p a b s t r a c t t h ej e t - f l o wp u m pw f l saf l u i dm e c h a n i s mt h a tc a nm a k ea s e & j e t - f l o wt u r b u l e n c ed i f f u s i o nt o d e l i v e rt h ee n e r g ya n dq u a l i t y , i th a st h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nt h ea v i a t i o na e r o s p a c ee n g i n e e r i n g 、 c h e m i c a la n de n v i r o r u n e n t a le n g i n e e r i n g 、n u c l e a rp o w e r e de n g i n e e r i n g 、o i la n dd e e ps e ae x p l o i t a t i o n e n g i n e e r i n ga n dh y d r o e l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n g ，b u tt h e r ew i l lh a v eab i g g e re n e r g yl o s sw h e nt h e t w od i f f e r e n tp r e s s u r ef l o wb l e n d e dt o g e t h e rd u r i n gt h ej e t - f l o wp r o c e s s i n g a tf a c et o d a yo fe n e r g y c r i s i s ，b a s e do nt h es a v i n ge n e r g ys o u r c e s ，w ec o u l de x p l o r e dt h ef l o wf i e l dm e c h a n i s ma p p l yt o e n h a n c et h et r a n s m i te n e r g ya n dt r a n s m i te f f i c i e n c y ，a n di tw i l lh a sl h ei m p o r t a n tm e a n i n ga n da c t u a l f u n c t i o nt ot h ee x p a n s i o no f t h ej e te q u i p m e n t sa p p l i c a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w et a k et h ep a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r yt e c h n i q u e ( p i v ) t e c h n i ct od i s c o v e r t h ei n n e rf l o wf i e l do f j e t p u m p ，a n da l s oc a na n a l y z et h et r a n s m i te n e r g ya n dt r a n s m i te f f i c i e n c yo f i t ， t h ew o r kc o n s i s t sm a i n l yo f t h es e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w s ： b a s e do nt h e l a bc o n d i t i o na n dr e q u i r e m e n to ft h i st e s t ，w es h o u l dd e s i g nas u i to fl o g i c a l j c t f l o wp u m pe q u i p m e n t ，a n da l s op a n i c l ei m a g ev e l o c i m e t r ys y s t e ms h o u l db ec o n f o r m i t y , i n c l u d e t h el i g h ts o u r c es y s t e m 、i m a g ec o l l e c t i o ns y s t e ma n dt r a c kp a r t i c l e se t c ，t h e s ea r et h eh a r d w a r es y s t e m o f t h i st e s t a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co ff l o wf i e l di nt h ej e t - f l o w p u m p ，w ec a nc o m b i n e h y d r o d y n a m i c st ob u i l das o f t w a r es y s t e mo fi n n e rf l o wf i e l dp a n i c l ei m a g ed i s p o s a li nt h ej e t - f l o w p u m p ，a n dt h i ss o f t w a r es y s t e mc a ng a t h e ra n dd i s p o s et h ei m a g eo ft h et e s t ，i n c l u d et h ed i s p o s e i m a g e 、d i s p l a yt h el i q u i df l o w 、v e l o c i m e t r yo ft h ef l o w 、v e l o c i t yf i e l da n a l y z ea n do t h e ra s s i s t a n t f u n c t i o n o n eo f t h ek e yp o i n ti nt h i ss y s t e mw a sh o wt og e tt h eh i g hq u a l i t yp a r t i c l ei m a g e ，i td i r e c t l y r e l a t e dt ot h en i c e t ya n dp r e c i s i o no ft h i sj e t f l o wi n n e rf l o w a n a l y s i sa n dm e a s u r e m e n t t h i s d i s s e r t a t i o nt a k em e t h o do fa l lk i n d so fd i g i t a l i m a g ed i s p o s a lm e a s u r e m e n tt op r e t r e a t m e n tt h e c o l l e c t i o ni m a g e ，i n c l u d et h eg r a yt r a n s f o r mo ft h ei m a g e 、s m o o t h n e s so ft h ei m a g e 、a c u t et h e i m a g e 、f i l t e rt h em e d i a nw a v e se t c ；i ta l s op a r t i c u l a ra n a l y z e dt h ei m a g e s ，t h r o u g ham e t h o dt h a t f l e e t l yt a k et w os e q u e n c ep a r t i c l ei m a g e si nt h ef l o wf i e l d ，i ta l s oc a l lc o r r e l a t i o na n a l y s i sm e t h o d ， a n di tb u i l tas y s t e mt h a tc a nm e a s u r ea n da n a l y s et h ev e l o c i m e t r y , n u to n l ys u i t a b l et ot h ea n a l y s eo f s t e a d yf l o w , b u ta l s ot ot h en o n s t e a d yf l o w , f o re x a m p l et h ec o m p l e xf l o wt h a ti n c l u d e dr e f l u e n c e a n dv o r t e x b e c a u s et h ei n s u f f i c i e n c ye x p o s a lo ft h ec o l l e c t i o ne q u i p m e n t 、a s y m m e t r yd i s t r i b u t i n go f t h ep a r t i c l ea n dn o i s e se t c a l s ot h e r eh a v ee r r o ro f m i s c a l c u l a t ee t c ，a l lt h e s ec a ni n d u c et h eq u a l i t yo f t h ef l o wi m a g e s ，s ot h e r ew i l lh a v es o m ew r o n gv e c t o ri nt h ev e l o c i m e t r y , t h i sd i s s e r t a t i o nh a v e e l i m i n a t e da n di n t e r p o l a t e dt h ew r o n gv e c t o r b o t hu n d e rt h eh a r d w a r ea n dt h es o l 3 f w a r ec o n d i t i o n ，w e h a v et h et e s tb yu s i n gt h ec o n f o r m i t yp a n i c l ei m a g ev e l o c i m e t r ys y s t e mi nt h ej e t - f i o wp u m p ，i t a n a l y s e dt h ee f f i c i e n c yo fi n v a r i a b l e n e s sj e t f l o wp u m pa n dp u l s ej e t - f l o wp u m p ，c h o o s e dt h e d i f f e r e n tf l o wr a t i oa n do b s e r v e dt h ef l o wf i e l ds t a t ei nt h ej e t - f l o w , b a s e do nt h ea n a l y s i ss u m m a r i z e o f t h i sf l o wv e l o c i m e t r yv e c t o rd i s t r i b u t i o n ，w ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o n f i n a l l yc o n c l u d e dt h ed e f i c i e n c yo ft h e s ew h o l et e s t s ，a n da l s oh a v et h ee x p e c t a t i o no ft h e j e t - f l o wi n n e rf l o wf i e l dt e s t s k e yw o r d s ：j e t - f l o wp u m p s ，p i v ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i t y ) ，f l o wv i s u a l i z a t i o n ，i m a g ep m c e s s i n g , c o r r e l a t i o na n a l y s i s ，f l o wf i e l do f t h ej e tp u m p s 独立完成与诚信声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文 没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则本人 愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签字) 锺 2 0 0 6 月7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究课题的目的及意义 液体射流泵以液体射流作为工作介质，通过流体质点的紊动扩散作用，把能量 传给被抽流体( 液体及含固体颗粒的液体) 。由于射流泵内没有运动部件，因而具有 结构简单、加工容易、工作可靠、安装维修方便等优点，此外它的密封性能好，有 利于输送有毒、易爆、易燃和放射性介质。在很多技术领域中，采用射流泵技术可 以使整个工艺流程和设备大为简化，特别是在高温、高压、真空及水下等特殊工作 条件下，采用它更显示出其独特的优越性。目前，射流泵技术已被广泛应用于水利、 电力、农牧、渔业、冶会、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f t 1 【2 j 。 射流泵的工作原理是利用紊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。由于两股不同压力的流体混合时产生较大的能量损失，因此射流泵 的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，一直 是喷射技术难以大面积推广的关键所在。提高射流泵传能及传质效率，一直是国内 外学者所关注的问题。 2 0 世纪7 0 年代以来，国内外学者主要从两种途径来提高射流泵的效率。一种途 径是研制新型结构的射流泵，如采用多股射流、多级射流等，在提高射流泵效率方 面取得了一定的进展，但这些新型结构的射流泵，结构较复杂，加工工艺要求较高， 制造和安装都比较复杂，因而其发展的速度比较缓慢。另一种途径是在相同的射流 泵装置上，采用非恒定射流来提高射流泵的传能传质效率，例如“脉冲射流( p u l s a t i n g j e t ) ”，“振荡射流( o s c i l l a t i n g j e t ) ”等，而在这一类研究中，法国学者s c c r o w 和 f h c h a m p a g n e ，于1 9 7 1 年首次在射流泵装置上进行了脉冲射流的试验研究，在射 流出口施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，而脉冲射流的均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射流提高了3 2 。这一结果立刻受到了各国 学者的高度重视。在短短几年时间，各国学者对脉冲射流进行了大量的试验研究， 华北水利水屯学院硕二学位论义 试验结果表明，在相同的射流泵( 或喷射器) 装置上，采用脉冲射流比恒定流动射 流的传能及传质效率提高了2 0 3 0 ，并己将研究结果应用到航空航天工程、核 动力工程和发电工程等，取得了显著的社会效应和经济效应。由此可见，采用脉冲 射流是提高射流泵效率的一种有效途径。 随着射流泵装置在航空航天工程、化工与环境工程、核动力工程、石油与深海 开采工程和水利水电等实际工程中的广泛的应用，在面临能源危机的今天，如何节 约能源、提高设备效率成为亟待解决的问题。因此，射流泵性能理论的研究具有重 要的意义。 液体射流泵中的流动非常复杂，是两种液体在个空间流场中的混合与能量交 换，属于高雷诺数的强剪切湍流射流，对该流动特性认识的不充分，很大程度上限 制了射流理论的进展，因此必须深化对其内部机理的认识和研究。借助于p i v 技术 对液体射流泵内部流动进行测量研究，可以获得直观的瞬时全场的流动信息，通过 测试射流泵各部件中的流场，确定流场中的速度矢量分布，进行分析比较，寻找射 流泵内部流场的规律，解释能量交换的机理。对于复杂的湍流射流流场，这样的结 果是很有意义的。 1 2 国内外研究的进程 早在1 6 世纪，射流的混合现象已被人们发现。在喷射技术外特性理论及应用研 究方面，1 9 世纪6 0 年代，德国学者g 佐伊纳( z e u n e r ) 根据动量定理，建立了射 流泵的设计理论基础，并于1 8 7 0 年与m 兰金( r u n k i n ) 进一步完善和发展了这个 理论，但他们的理论还不能解决射流泵及喷射器的计算问题。2 0 世纪3 0 年代，随着 流体力学及空气动力学的发展，推动了喷射技术的应用和研究工作。1 9 3 3 1 9 3 4 年， j e 高斯林( g o s f i n e ) ，m p - 奥必宁( o b r i n e ) 在美国加利福尼亚大学对液体射流 泵进行了系统的试验研究工作，建立了其基本性能方程，并应用于油井抽油：1 9 3 9 年，qv 福劳格( f l u g e ) 建立了射流泵及喷射器的计算方法，1 9 4 8 年，d 斯立林 ( c i t r i n i ) 在分析了射流泵的阻力损失后，提出了提高射流泵效率的途径；1 9 5 1 年， t w 劳德斯( r o d e s ) 提出了用液体射流泵抽送泥沙，并指出其经济可靠性：1 9 5 2 年，j w 麦科纳基( m a c o n a g h y ) 提出了射流泵装置的性能计算方法；1 9 5 3 1 9 5 4 年，r g 寇宁汉( c u n n i n g h a m ) 研究了抽吸高粘滞性液体射流泵的性能；1 9 5 5 1 9 5 6 第一章绪论 年，r 科格劳( v o g e l ) 研究了射流泵的基本性能最优设计参数，提出射流泵的效率 可以达到4 0 0 , ；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了详细 的实验后提出了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 t t e ) 提出利用1 9 孔多喷嘴液气射流泵，使该泵的等温压缩效率 超过4 0 ，通过实验提出了“混合激波”的概念；同年，海根( h i g g i n s ) 提出了液 一气射流泵包括有阻力的一元分析式，并进行了理论与实验的对比，通过透明喉管 实验，发现射流泵最优性能是混合完成于喉管内。 在我国，1 9 6 2 年童咏春、陆宏圻首次提出了准二维分析方法，采用动量、能量 修正系数等考虑射流泵内各个主要控制断面流速、压力及浓度的不均匀分布，导出 了液体射流泵的基本方程；1 9 7 0 年陆宏圻对液气射流泵的两相流态进行了分析，提 出了它的基本理论方程组及边界条件方程组；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。 2 0 0 1 年，陆宏圻、高传昌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效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 射流有较大的提高。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。 鉴于此，借助一种直观的方法研究其内部流动，对进一步探求其机理是很有帮 助的。p i v 方法即粒子图像测速法 3 j f 4 l ，主要特点是突破了空间单点测量技术的局限 性，可在同一时刻记录下整个测量平面的相关信息，从而可以获得流动的瞬时平面 速度场、涡量场：研究流动中产生的振动，复杂系统产生的水击，水泵、水轮机内 的空蚀等。适应于下述一些流动状况的分析：( 1 ) 能够显示出反映流动方向的流迹、 流脉及流线；( 2 ) 表现流场速度大小、速度梯度、加速度及速度分布；( 3 ) 旋涡的 生成、消失，层流紊流的演变，脱流现象：( 4 ) 密度及温度分布。 随着计算机图象处理技术的发展，应用计算机对流动图像进行分析迅速发展。 1 9 8 2 年i m a i c h i k 和o h m i k 采用带图像处理装置的计算机测定质点轨迹坐标，在数 个速度矢量网格点上内插速度，计算流函数、涡度和压强的数值分布。1 9 9 0 年 a c e n e d e s e 和a p a g a l i a l u n g e 用粒子图像测速法( p i v 法) 定量研究涡旋结构。1 9 9 1 华北水利水电学院硕士学位论文 年c e w i l l e r r 和m g h a r i b 采用数字图像测速法( d i v 法) ，利用激光器和c c d 面层 技术定量测量涡旋环境。 这些方面的应用，起初大都是解决一些基础的流动现象。后来，随着p i v 技术 的发展和设备的改进，研究对象和领域又有了新的发展。p i v 技术已成为广泛应用的 实用技术，目前已应用于稳定流与湍流、水动力学、空气动力学、气体力学、工业 和环境流体力学、生物流体力学、多相流、非牛顿流、渗流、等离子体与磁流体动 力学、地球与天体流体力学、物理化学流体力学、原子能工程等领域。流场流谱研 究已取得很多成果，发现了许多流动现象和规律；航空器的研究也取得了骄人的成 绩；水利、水运、海上采油的墩柱绕流及其它水下工程的水下图像信息获得技术的 研究等，都是以流动显示与测量结果为基础的。在医学研究中可以模拟显示人体血 液流动；在旋转机械的p i v 研究中，如离心涡轮泵、离心压缩机、轴流涡轮泵、汽 轮机、旋转压缩机气流分离与气蚀现象、航空推进器及工业处理过程搅拌器、水泵 与水轮机等已取得了一定成绩；在发动机燃烧室中的燃烧过程、热交换器的传热传 质性能、电厂温排水口近区和垂直进水口及双射流混合流场特性等研究中，p i v 技术 都有应用。 1 3 本文所作的工作和研究内容 目前，射流泵提高效率的机理尚待进一步研究，现有的研究也大多是采用激光 测速的方法获得速度分布，对具体的流动情况跟踪的少。本文的重点是建立一套射 流泵p i v 试验系统，对不同工况下射流泵的内部流场进行p i v 观测分析，利用其分 析结果进行对比，目的是探求射流泵内部流场规律，解释能量交换的机理。因此本 文主要做了以下工作： 1 设计一套合理的液体射流泵试验装置，可以用来做恒定和脉冲射流的试验，用 模拟试验理论确定模拟的流道几何尺寸；制作符合试验要求的透明( 有机玻璃) 射 流泵模型进行试验，改进可视化方法，获得优质流动图像。 2 进行了液体射流泵的可视化试验，对射流泵内流速分布进行测定和记录，对比 分析不同工况下的恒定射流以及不同频率脉冲射流的流场参数，尝试探求提高射流 泵效率的机理。 3 采集获得射流泵各部件中的流场图像，采用一系列的图像处理和分析计算方法 第一章绪论 获得其内部矢量场的直观分布，尽可能全面地解析流场信息，运用湍射流理论，探 讨液体射流泵内的流场规律。 4 通过试验中对图像的处理和计算，改进和完善p l v 应用的方法和技巧，总结和 整理经验和教训，提高p i v 方法在类似射流泵这种流场复杂的水力机械中的适用程 度。 华北水利水电学院硕士学位论义 第二章液体射流泵设计理论 射漉泵是一种利用湍射流的湍动扩散作用来传递能量和质量的，其喉管进口段 及喉管内，液体压力、速度及浓度都发生急剧的变化，流体中较大的固体颗粒与液 体的相对滑移速度对射流泵的性能有很大的影响，国内外学者运用流体力学和湍射 流理论【5 1 ，导出了不同形式的射流泵基本方程。借助前人的研究成果，本章从理论 上分析了液体射流泵的性能和传质传能影响因素。 恒定液体射流泵内的液体流动情况属于有限空间伴随射流，其特性与射流泵的 几何尺寸有关。基本方程h = f ( q ，m ) 以无量纲参数扬程比h ，流量比q 和面积比m 束表征射流泵内的能量变化，以此研究射流泵压力、流量和几何尺寸之间的关系， 它反映了泵内能量变化及各主要部件( 喷嘴、喉管、扩散管和喉管进口段) 对性能 的影响，是研究、设计和运用射流泵的理论依据。 脉冲液体射流泵内的液体流动属于有限空间伴随脉冲射流，它的特性与射流泵 的几何尺寸( 如面积比、喉管长度等) 和脉冲频率有关。脉冲液体射流泵基本方程 h = f ( q ，t n ，p ；，w ) 是研究射流泵压力、流量与脉冲频率及几何尺寸之间的关系，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、扩散管和喉管口段) 对 性能的影响”1 1 2 1 1 6 1 。 大量试验表明：有限脉冲射流的卷吸率和混合率均大于恒定射流，而且脉冲射 流流场结构也不同于恒定射流流场的结构。 1 9 7 1 年，s c c r o w 和f h c h a m p a g n e 用以下表达式来描述射流中心线上的脉 冲流速分布： “+ = i i i + p “c o s k ( x c t ) ( 2 1 ) k ：华 ( 2 2 ) l c = 形( 2 - 3 ) 式中七一脉冲波数；日一空间放大率：c 一脉冲相速度； 脉冲波长： 脉冲频率。 第二章液体射流泵设计理论 1 9 8 7 年，k a t o ，e t a l 提出用下式来描述脉冲射流的卷吸速度 驴+ 鲁警 a ， 而恒定射流的卷吸速度为 “。= k l u o ( 2 - 5 ) 式中的k l , k 2 为常数，五1 是时间尺度，用它来描述脉冲射流的卷吸率不同于恒 定射流的卷吸率。 19 7 4 年，g e m a t t i n g l y 和c c c h a n g 在对轴对称脉冲射流进行理论和试验研究 时，提出了下列两个无因次方程来描述脉冲射流流场的分布 【，( r ) = 1 o( o s r 蔓)( 2 - 6 ) u ( r ) = e ”“2 ( r a ) ( 2 7 ) 式中u 无因次速度； r 射流场内任一点的无因次半径； a 射流核心的无因次半径： 盯常数，盯= o 6 9 3 。 1 9 8 1 年，k b r e m h o r s t 和r d w a t s o n 在试验研究轴对称有限脉冲伴随流的流 速分布时，提m 用下式来描述脉冲射流流场的平均速度分布状况 r o5 i = o 1 1 r o ( + o 8 4 )( 2 9 ) 式中 u 任意一点的时均流速： u 。射流中心线上的平均流速； r 任意一点心半径； ，。为时均流速一半的点到中心线的距离： 常数，= 0 6 9 3 。 ( 2 - 8 ) 式适用于2 1 5 的射流范围，x 为中心线上任一点距喷嘴出口中心 “n 趵协 乍 邓p = 五一一 华北水利水电学院硕士学位论文 的距离，成为喷嘴直径。 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，而且有限射流的 机理也处于不断的探索中。 2 1 液体射流泵基本方程 2 1 1 恒定液体射流泵的基本方程 幽2 - 1射流泵工作原理图 1 一喷嘴；2 喉管；3 一扩散管：4 一喉管入口段；5 一吸入室 射流泵的基本参数定义为： 绕工作液体的体积流量； q 被抽送液体的体积流量； q f 射流泵的排出液体体积流量，q = q o + q ； r 工作扬程，指每千克工作液体在射流泵入口处所具有的能量； 射流泵的扬程，指每千克被抽送液体流过射流泵所得到的能量 兰三皇丝焦塾堕垄壁生堡堡 z 喷嘴出1 ：3 断面面积； 工喉管断面面积； f ，被吸流体在1 1 断面过流面积； z ：被吸流体在2 - - 2 断面过流面积； 通常在描述射流泵的性能、性能曲线、射流泵基本方程以及射流泵的相似律时 均采用无量纲参数比较方便。主要的无量纲参数及系数说明如下： 容重比矿。=被吸流体的容重 p ， 工作液体的容重p 。 ( 2 1 1 ) ( 2 1 _ 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 武汉大学陆宏圻教授等运用流体力学和湍流射流理论，采用准二维方法，导出 了射流泵基本方程及动量修证系数方程组。该方法采用动量及能量修币系数等，考 虑射流泵喉管进出口段及喉管等各主要控制断面的速度、压力及浓度的不均匀分布， 再用一维方法进行分析。同时，方程也如实地考虑了流体中较大的固体颗粒与液体 的相对滑移速度对射流泵性能的影响，因此普遍性及适用性更好。方程如下： 矾警+ k 一鬻) 竽 蜥i口：“：m 一( 2 番毒) 学， 式中= 毛十 ( 2 。1 6 ) ( 2 1 7 ) 争筹每蜘 = = ” 目 旷 拈 锄 降 e e 4 “ l 吲 呦 眦 面 副 础 限 叭 测 搠 面 吸 一1，j c 一 一 一 生l ； 丝量。 一 一 一_ 一 妒 华北水利水电学院硕士学位论文 仁”再他翮c o s f l - k 2 经l 卜专( c 0 8 肛。 一蒜z 丽z z z ； 卜镟等舛。【埘一1 ) 。 n = ： m l ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 1 1 0 ) 口喉管进口函数； 纪喷嘴流速系数； c p ：喉管流速系数： 仍扩散管流速系数； 仇喉管入1 3 段流速系数； 他喉管进1 3 段流速系数； 颤，k 。喉管进口断面工作和被吸流体流速分布不均影响的动量修正系数； j ，：，t ；分别表示喷嘴出口断面、喉管入口及出1 3 断面速度滑移的修正系 数； 莎喉管出口断面动量修币系数。 上述各式中的流速系数妒。、仍、仍、吼、依，可以根据相应部分的各阻力系 数用水力学方法进行计算，也可以通过试验测出。在一般计算中可以采用 吼= o 9 7 5 0 9 5 ，仍= o 9 7 5 ，仇= 0 9 ，吼= o 8 o 8 5 ，钬= 1 0 。射流泵在抽送 液固混合液时，流体的阻力增加，同时由于固体颗粒的流速与液体流速之间存在速 度差，这种相对滑移的速度对射流泵的性能也有一定的影响。在本文中，由于只考 虑抽送清水，故忽略滑移效应，因此m = 1 0 ，：= 1 0 ，飓= 1 0 。 2 1 2 脉冲液体射流泵的基本方程 图2 - 2基本方稗原理图 l 基本假定 ( 1 ) 射流泵内脉冲液体的运动参数与射流泵内的位置x 无关，仅是时间的函 数，通过射流泵的工作流体为非正弦周期变化的脉冲流体，其工作参数用傅立叶级 数表示。 中m = 巾。p 删 ( 2 。1 - 1 1 ) 一 式中q ( ，) 射流泵断面上不同时刻的运动参数，如脉冲压力、脉冲流量等； 中。j 断面上不同时刻运动参数的第f l 阶谐量的振幅： 。，断面上运动参数的脉冲圆频率： ( 2 ) 大量实验结果表明，工作流量函数与被吸流量函数之间存在相位差，这里 假设其相位差为7 1 。并且可以假设在工作流体与被吸流体为同一介质的情况下，当 工作流量的波动变化一定时，被吸流量的波动变化有跟随性。也就是说，工作流量 和被吸流量的脉冲频率相同，而且当工作流量的振幅一定时，被吸流量的振幅可以 假设是一定的。 ( 3 ) 在同一时刻吸入流速甜。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。 华北水利水电学院硕士学位论文 2 基本方程2 1 1 7 j 考虑到被吸流体流量与工作流量存在着相位差，由于对脉冲射流的微观研究还 没有取得重大的进展，故根据的基本假定近似假设此相位差为7 t ，式中的运动函数 均为时间t 的函数，得脉冲液体射流泵的基本方程如下： ) 旦辱 q 卅 ( 2 1 1 2 ) m 目一m 日、 式中 m 。脉冲液体无因次惯性力；其表达式如下： 2 赢川。叩坩。) p 一2 军叩m 一，为1 - 2 和2 - 3 断面的惯性压力； m m 脉冲液体无因次惯性水头；其表达式如下 2 高n 巩一+ 岛矾卜c ) 口，脉冲液体射流泵喉管进e l 函数； 屈喉嘴距的扩散半角反= a r c t a n 堕丢垒，为喉管距 c = 昙s i n 成 肛而； 仍喷嘴流速系数： p ：喉管流速系数； 吼扩散管流速系数； 吼喉管入口段流速系数 纯喉管进口段流速系数 ( 2 1 1 3 ) ( 2 1 1 4 ) 饵卧 咖 孵一生喧竽 淼一卅 她坍瑁 水 筇 鸹 也 第二章液体射流泵设计理论 k i = 1 + p k ，l ( 纩1 ) 七2 = c s i n 鲁( 1 ) ( 2 1 1 5 ) k ik ：喉管进口断面工作和被吸流体流速分布不均影响的动量修j 下系数 j 喉管出口断面动量修正系数。 3 时均值基本方程 i = 砑 警2 t p s k l + ( 2 柏一鲁s i n 2 胁等丽r ( 2 小，。) 邮岳西) 啦掣+ 巧一瓦 式中五巧脉冲液体无因次时均值惯性力；其表达式如下 m = 可( p ， n ) 3 “o l m 。脉冲液体无因次时均值惯性水头；其表达式如下 五瓦：刍( 凤西”岛画印一。) 岛b l o i i 脉冲射流泵时均值喉管进口函数：其表达式如下： 一 a a l = = 一 l 一口口， 2 1 3 基本方程的分析 ( 2 1 1 7 ) ( 2 1 1 8 ) ( 2 1 1 9 ) 射流泵的基本方程可以看出，流速系数p 、妒：、吼、伊。、纯等为主要影响因素， 分别表示喷嘴、喉管、扩散管、喉管入口、进口段等清水流速系数，与射流泵的流 线形、面积比、喉管长度、扩散管长度、流量比等因素有关。 脉冲液体射流泵与恒定流射流泵基本方程的表达式有如下不同“1 ： 1 脉冲液体射流泵基本方程中含有非恒定流引起的无因次惯性力和无因此惯性水 头对射流泵性能的影响。 2 含有脉冲频率对射流泵性能的影响。 华北水利水电学院硕士学位论文 3 脉冲液体射流泵喉管进口函数同样受到非恒定流引起的惯性水头和脉冲频率的 影响。 脉冲液体射流泵时均值计算及试验表明，在射流泵的工作区内其分布规律接近直 线，因此脉冲液体射流泵时均值计本方程的简化式为： 瓦；( 9 7 + 兰) 鱼( q 。一i ) ( 2 1 2 0 ) q o 式中h 。和q 。由下式计算 ho = 2 6 6 7 0 0 0 2 5 3 ( m + 2 6 0 7 ) 2 qo = ( s i n + 0 9 4 4 5 ) o 一1 7 5( m = 1 5 2 9 9 )( 2 一1 2 1 ) ho = 1 4 5 m “。8 9 2 qo = ( 5 m 一0 9 4 ) 。“一1 7 ( 1 1 1 = 3 2 5 )( 2 1 2 2 ) 式中：识喷嘴的流速系数； f 脉冲时间比： a 常数，他与射流泵面积比和脉冲时间比有关。 由方程( 2 一卜2 0 ) 可知，脉冲液体射流泵的性能是恒定流与非恒定流性能的叠加，并 与脉冲的时间成反比，即面积比m 相同的脉冲射流泵，脉冲时间比越小，其性能越 好。 2 2 液体射流泵其他参数方程 2 2 1 流速比m 、射流半径比 1 恒定流射流泵的表达式 m = ( m _ 豺r2 孙s s 骂+ 量耻素b ) -r 2 ( 2 2 1 ) 第二章液体射流泵设计理论 每= ( 州，刳 式中。= 胁；- 2 ( 1 l - 1 2 ) + i - 南 k i - m + p j a ：q ( k 2 q - m ) r ，t = p 。( o 4 1 6 + o 1 3 4 m ) + ( 1 一万，) ( o 3 0 9 + 0 0 6 2 m ) 1 2 = 石，( o 3 0 9 + 0 0 6 2 m ) + ( 1 一石，) ( o 2 4 5 + 0 0 3 3 m ) 2 脉冲射流泵的表达式 式中 式中 一-t刖-一面e?一面2b,m= 旦二翌一 确一争 ( 2 。2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 4 = 惫 石( ”鲁c ：+ 等州e 矿( 口等) 叫瞅釉+ 击( 鲁时：等c 3 ) 啡埘职妻去一一。邪z c 等一去) 2 + s h ( b 2 筹， 之刁 锄c b 2 和 晏： 尝型+ 盟( 盟- m ) 一堕二丝2p r o l m 1 一m 、w a 22 b ( 1 一m ) 4 ( 2 2 8 ) = 磊( q + 譬q + 等c 3 ) e 矿【强( 老一去肛e r ，( 办妥) + 去c 鲁c ：+ z 警c 小恸c z b 2 筹卜暇z 口2 筹，( 2 - 2 - 9 ) + 拍 2 b z ( r 鲁一万b ) 2 一拍【z b 2 ( 等一去) 2 】) - 1 5 - 华北水利水电学院硕上学位论文 f 2 = 扛( q + 鲁c z + 等啪坤们b ( 凳一去) _ e 矿( b 惫) + 去t 鲁c ：+ z 挚u 咄一c b 2 簧2 卜暇口2 菇2 ，( 2 - 2 - 1 0 ， + 州b 2 ( 去一瓦b ) 2 一州曰2 ( 去一去) 2 】) 3汽蚀机理与速度比 液体射流泵内流态属于有限空间伴流，湍射流的试验表明，射流边界层的变化与 速度比m 有关。流速比m 增加，射流边界层缩小，当流速比m 增加到某一临界值 时，即m 2 m 。，射流边界层不再收缩，而保持不变。由于射流边界层的吸入流量， 有下面各式成立 q 。= 厂( f 。，卸。) ( 2 。2 一1 1 ) 印t = p ，一p ， f 氏一f 。 ( 2 2 1 2 ) ( 2 2 1 3 ) 当吸入压力p 。喉管断面 为一定值时，吸入流量o 。与压力p 。和丘( 射流面积) 有关。在初生态汽蚀时，低压区断面的流速比m 。m 一此时射流边界层是变化 的，且厶( 。) ，压力p ，p 。，所以q 。s 纵；在稳定汽蚀时，m 。m 。，p x = 仇， 此时射流边界层不再变化，厶= 厶( 。) = 常数，所以吸入流量不再增加，即q 。= 9 0 = 常数，此时o 。与工作压力卸。和工作流量o 。无关。 2 2 2 射流厚度比 1 恒定流射流泵的表达式 运用湍流射流理论，通过阿帕莫维奇积分方法，得到无限空间射流初始段射流 扩展厚度的表达式为： 】一m b 2 “i + m ( 2 - 2 _ 1 4 ) 式中c 为实验常数，通过实验，一般取为0 2 7 ；爿为断面至喷嘴之间的距离。因 此射流厚度比为： 1 第二章液体射流泵设计理论 一b ：o 2 7 三土丝( 2 - 2 - 1 5 ) 1 + m 射流泵内流体的流动属于有限空间射流，