一种多喷嘴射流泵的设计与试验研究

一种多喷嘴射流泵的设计与试验研究

0射流泵参数试验研究射流泵是利用高速流量作为工作动力的液体机械和混合反应设备，在工程领域中得到广泛应用。它本身没有运动部件,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。利用射流泵可使整个工艺流程及设备大大简化,尤其是在高温、高压、放射、易燃、易爆、输送含有固体颗粒的介质和水下等特殊工作条件下,更显示出其独特的优越性。如医药、石油开采、矿山冶金等。随着科学技术的不断发展,人们对射流泵各个方面的性能提出了更高的要求,然而射流泵内部流动结构复杂,整体效率较低,一直制约着射流泵的发展。国内外学者对单喷嘴射流泵各结构参数对泵性能影响以及如何选择这些参数都有较深入的研究。关于单喷嘴射流泵的内部流场数值模拟方面,国内外学者的研究也比较多,利用数值计算得到了喷射泵的效率方程和最高效率面积比,在对射流泵流场的数值模拟方面也取得了较好的结果。目前,对射流泵的研究大多集中在单喷嘴方面。由于原始射流泵结构尺寸较大、效率较低不利于射流泵的安装与应用。因此针对上述问题提出多喷嘴射流泵的研制。它可以缩短喉管长度,从而减小泵体的整体长度,有效的增加了它的应用范围。而且工艺简单,工作稳定。因此多喷嘴射流泵的研制,可以节省工作空间,扩大射流泵的应用范围,提高其工程应用价值。由于国内对多喷嘴射流泵的研究较少,可供参考的资料较缺乏。因此,对多喷嘴射流泵各结构参数对其性能的影响进行系统的试验研究具有实际指导意义。本文采用数值模拟和试验两种方法分别对该多喷嘴射流泵在不同喷嘴数,喷嘴角度以及喉嘴距下的效率、外特性和混合长度进行了研究分析。鉴于国内外学者对射流泵数值模拟研究较多,计算结果得到大量验证,说明了其计算公式和方法的正确性。所以本文借鉴了关于流体机械流场的数值模拟方法。试验结果为合理选择这些结构参数提供了依据。1多喷嘴射流泵的喉管长度多喷嘴射流泵的工作流体是通过多个喷嘴射出的有压液体通过多喷嘴射出多股流体,在喷嘴口处由于射流边界层的紊流扩散作用,与周围被吸流体发生动量交换,工作流体与引射流体相接触的表面比相应的单喷嘴射流泵大,工作流体与引射流体能比较迅速地进行能量和动量交换,使混合流体速度较早均匀。因此,喉管直径一定的多喷嘴射流泵的喉管长度就比相应的中心射流泵的喉管长度短。即多股流体能够在很短的距离内混合均匀,这样就减小了喉管的长度。多喷嘴射流泵结构示意图如图1所示。其中,L——喉管长度;n——喷嘴个数;且均匀分布;θ——喷嘴安装角;Lc——喉嘴距;D——喉管直径。将射流泵设计成无扩散管特殊结构,以保证工作流体和被吸流体能混合完成。2计算值的值2.1射流泵性能结构参数考虑到多喷嘴射流泵性能影响参数较多,将主要影响参数:喷嘴数,喷嘴角度,喉嘴距作为研究对象,分别计算4个流量比下不同喷嘴数,喷嘴角度和喉嘴距下的射流泵内部流动情况。找出多喷嘴射流泵性能结构参数。射流泵计算参数如表1。射流泵性能曲线无量纲参数压力比N和流量比M的曲线,如图3所示,其中N=(Hd-Hs)/(H1-Hs),式中H1工作流体扬程(m),Hs为被吸流体扬程(m),Hd为射流泵出口扬程(m);M=Q2Q1,式中,1Q为工作流体流量(m3/s),2Q为被吸流体流量(m3/s)。2.2射流泵三维建模拟合流体在射流泵内流动时,认为流体在整个泵内是湍流流动的。本文在建立射流泵实际几何模型的前提下,考虑射流泵的喉管入口段、喉管段、出口段对射流泵性能的影响,利用贴体坐标变换技术,结合有限体积法对射流泵三维空间模型进行数值模拟。根据射流泵特点,设流场为不可压、定常、等温流场,湍流采用k-ε湍流模型,则在柱坐标系下相应的控制方程为:连续性方程:动量方程:湍动能k方程:耗散率ε方程式中U、V——轴向、径向时均速度;P、ρ——压强、流体密度;μeff、μt、μ——有效黏性系数、紊流黏性系数和分子黏性系数;1C、C2、Cμ、σk、σε——模型常数。模型中的常数按文献确定1C=1.44,2C=1.92,2.3边界条件和网络划分2.3.1壁面内的流动模型根据射流泵的特点,只需求出轴向速度,速度在进口截面上均匀分布。因此进口边界定义为速度进口。出口边界定义为自然出流,即出口处的流动是完全发展的,出流面上的流动情况由区域内部外推得到,且对上游流动没有影响。对于湍流核心区的流动采用k-ε湍流模型求解,而在壁面区不进行求解,直接使用半经验公式将壁面上的物理量与湍流核心区内的求解变量联系起来。这样,不需要对壁面区内的流动进行求解,就可以直接得到与壁面相邻控制体积的节点变量值。故本文采用壁面函数法定义固壁边界条件。2.3.2计算网格划分采用适应性很强的Tgrid混合网格进行整体划分,生成计算网格总约为30万,其中喷嘴部分约6万,吸入室及喉管部分约24万。边界条件以及网格划分如图2所示。2.4喷射流泵对比分别计算流量比0.3、0.6、0.9、1.2四个工况下的内部流场情况,多喷嘴射流泵计算结果的性能曲线如图3所示(图3中n-θ-L表示泵型号:n表示喷嘴数,θ表示喷嘴角度,L表示喉嘴距,表2同),结果显示4喷嘴,喷嘴角度为10°,喉嘴距为50mm的射流泵整体性能较好,6喷嘴射流泵性能曲线较平稳,说明其工作范围大。8喷嘴效率最差,主要是因为当喷嘴个数太多时,从喷嘴中射出的各股工作射流在圆周方向的相互间隔就变小,引射流体往射流与接受室壁面之间的空间的补充就受到阻碍,射流容易附壁流动,引起摩擦损失。根据计算结果,将效率较高的4喷嘴,喷嘴角为10°喉嘴距为50mm的射流泵对称面湍动能图与单喷嘴在相同流量比下相比较,如图4所示。由于湍动能可以反应内部流场速度情况,所以分析湍动能对比图可知,多喷嘴工作流体和被吸流体能在吸入室及喉管入口处快速混合,混合均匀位置与单喷嘴射流泵相比明显减少大约一半,说明多喷嘴确实可以缩短射流泵喉管距离。选择4、6、8喷嘴数中性能最好的组合结构的模拟结果,计算轴向速度。从轴心线上的速度曲线图(图5)可以看出,喉管内在距喉管入口处300mm处速度趋于稳定,表明工作流体和被吸流体已经混合均匀。从速度分布图可知在300mm截面速度较一致,也说明了多喷嘴能够缩短喉管混合长度。3射流泵试验2和最佳配方结果和讨论分别对不同喷嘴数,喷嘴角度和喉嘴距的射流泵进行外特性试验,喉管部分依次开6个测压孔,测压点布置如图6所示,利用U型压差计来测量喉管部分压力,射流泵整体试验装置如图7所示。各个型号下的数据较多,且由于射流泵进口流量最大时,具有最高效率点,所以只对9种型号最大进口流量的效率进行比较,试验结果如表2所示,表中进口流量和进口压力为工作流体的流量和压力,出口流量和出口压力为射流泵出口流量和压力。从表2可看出,8喷嘴射流泵在工作流体最大流量时不能吸水,6喷嘴射流泵被吸流量比4喷嘴射流泵要小。4喷嘴射流泵的最短喉嘴距50mm性能最好,其性能曲线如图8所示。4喉管混合完成点计算从喉管试验来看,测压点2压力明显大于测压点1,两者压差为14.6kPa,喉管在0~200mm长度内未混合完成,而侧压点2和测压点3之间的压差大幅缩小,其后测压点3和4,5和6之间的压差趋于稳定,压差仅为1.1kPa,可认为是沿程阻力损失所导致。综合以上各测压点的分析来看,喉管混合完成点应该在200~300mm之间,这与数值计算结果比较符合,验证了数值模拟结果的准确性。对于喷嘴数的影响从试验数据表可知,喷嘴数为8时性能最差,这与国内学者得出的结论是一致的,喷嘴数为6时泵性能只有在工作流体大流量时性能较好,但是不能满足工作要求,这是因为喷嘴个数较多时,从喷嘴中射出的各股工作射流在圆周方向的相互间隔就变小,引射流体往射流与接受室壁面之间的空间的补充就受到阻碍,射流容易附壁流动,引起摩擦损失。射流泵性能试验结果低于模拟性能,原因是由于试验系统部分管路压力损失,导致射流泵出口扬程减小。5数值试验验证本文通过对多喷嘴射流泵的数值模拟和试验,可以得出以下结论:1)内部流场数值模拟结果和试验结果基本吻合,说明模型和计算方法是正确的。2)多喷嘴射流泵的数值计算和试验验证了采用多喷嘴可缩短