大流量射流泵装置的设计与性能试验

1、大流量射流泵装置的设计与性能试验 D e s i g na n dP e r f o r m a n c eE x p e r i m e n t o f J e tP u m pD e v i c ew i t hL a r g eF l o w 姓 2 0 1 4 年5 月 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本

2、人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：彳 I 凌叠 纠【f 年多凡7 日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生院办理。

3、 本学位论文属于不保密日。 学位论文作者签名：荔f 蒜毖 砂H 年6 月j 7 日 指导教师签名： v - 年6 月日 江苏大学硕士学位论文 摘要 本课题来源于“十二五”国家高科技研究发展计划( 8 6 3 ”计划) “精确喷灌技 术与产品”( 编号：2 0 11 A A l 0 0 5 0 6 ) 。 我国水资源匮乏，河床水位逐年下降，很多地区水位距地面达8 m 以上。离 心泵作为常用抽水装置，吸上高度一般只有5 m 左右。射流泵装置是一种高吸程 抽水装置，吸程可达8 m 以上，可解决一般离心泵吸程低的难题。本文开发的大 流量射流泵装置，可用于高水位地区的灌排取水。 本文采用理论分析、数值模

4、拟和试验等研究手段，对大流量射流泵装置进行 了设计研究和性能分析。主要工作有： ( 1 ) 提出了利用射流泵装置汽蚀沉没度检验装置汽蚀性能的方法，推导了 临界气蚀沉没度的计算公式，并对吸入液体为水时的公式进行了简化，同时通过 射流泵装置抽吸深度试验验证计算结果的准确性。结果表明：试验泵发生汽蚀时 的沉没度试验值与计算值相对误差在4 以内。 ( 2 ) 选用标准k - e 模型、R N Gk - e 模型和R e a l i z a b l e 缸s 模型三种不同的湍流 模型对原型泵进行数值计算，比较原型泵的性能试验结果和数值计算结果，得到 了使用不同湍流模型时射流泵性能数值模拟的准确性。结果表

5、明：R N Gk - e 模型 能够比较准确地模拟射流泵的内部流场。 ( 3 ) 采用数值模拟的方法，对射流泵垂直和水平安装时的水力性能进行分 析。针对射流泵在射流泵装置中垂直安装的特殊性，根据数值模拟得到的射流泵 效率最高值与喉管长度的关系，推导了垂直安装时的最佳相对喉管长度公式。结 果表明：由于重力场的影响，射流泵垂直安装时射流核心区垂直向下移动；与传 统最佳相对喉管长度随面积比变化曲线相比，斜率相同但截距较小。通过对三种 不同吸入口方向的射流泵的性能进行数值模拟分析，比较各流量比下的效率，发 现射流泵吸入口方向与喷嘴方向平行时的效率要优于其他吸入I ：3 方向时的效率。 ( 4 ) 借鉴

6、射流泵经验设计方法和相似定理设计方法，分别设计了大流量射 流泵装置中射流泵的水力结构。通过数值模拟预测比较两种方案所得射流泵的水 力性能，发现采用经验理论设计得到的射流泵水力性能更优。 大流量射流泵装置的设计与性能研究 ( 5 ) 为了得到射流泵样机性能最佳时的尺寸组合，采用单因素试验方法， 确定9 组不同面积比与喉嘴距的组合方案进行射流泵水力性能试验。试验结果表 明，喷嘴直径为1 3 r a m 、喉嘴距为1 3 m m 时射流泵效率最优。采用最优尺寸方案 作为射流泵最终尺寸，通过装置性能预测公式计算得到射流泵装置在8 m 及l O m 吸程时的工作性能。计算表明：吸上流量在l O m 3

7、h 以上时，装置扬程均在4 0 m 以上，满足设计要求。装置效率最高达到2 0 以上，高于目前的小流量射流泵装 置的效率。 关键词：射流泵装置，射流泵，高吸程，大流量，数值模拟，结构优化 江苏大学硕士学位论文 A B S T R A C T T h i sr e s e a r c hc o m e sf r o mn a t i o n a lh i g h t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m ”p r e c i s ei r r i g a t i o nt e c h n o l o g ya n

8、dp r o d u c t ”f P r o j e c tN o 2 0 11 A A l 0 0 5 0 6 ) B e c a u s eo ft h el a c ko fw a t e r t h ew a t e rl e v e lb e c a m em o r et h a n8mo f rt h e g r o u n d Ac e n t r i f u g a lp u m pi sg e n e r a l l yo n l y5 mP u m p i n gi n s t a l l a t i o nh e i g h t T h ej e t p u m p

9、d e v i c ei sak i n do fh i g hs u c t i o nd e v i c ew h i c hC a na b s o r bw a t e ru n d e rm o r et h a n 8 m I nt h i sp a p e r ，t h el a r g ef l o wj e tp u m pd e v i c et h a tc a nb eu s e df o ri r r i g a t i o ni s d e v e l o p e d T h i sp a p e ra d o p t st h e o r e t i c a la

10、 n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c hm e t h o d st op r o v et h ep e r f o r m a n c ea n dd e s i g no fl a r g ef l o wj e tp u m pd e v i c e ： ( 1 ) T h em e t h o do fc a v i t a t i o np e r f o r m a n c eo fl a r g ef l o wj e tp u

11、 m pd e v i c eW a S p r o p o s e db yu s i n gt h ej e tp u m p c a v i t a t i o ns i n k i n gd e g r e e I nt h i sp a p e r , t h e c a l c u l a t i o nf o r m u l ao fc r i t i c a lc a v i t a t i o ns i n k i n gd e g r e ew a sd e r i v e d T h ed e p t ho ft h e j e tp u m ps u c t i o n

12、t e s tv e r i f i e dt h ea c c u r a c yo ft h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s T h er e s u l t ss h o w t h a tr e l a t i v ee r r o ro ft h et e s tp u m pc a v i t a t i o ns i n k i n gd e g r e eo ft e s ta n dc a l c u l a t e d v a l u ei Sw i t h i n4 ( 2 ) T h es t a n d a r dk - em

13、o d e l ，t h eR N G 缸sm o d e la n dR e a l i z a b l ek - em o d e lo f t h r e ed i f f e r e n tt u r b u l e n c em o d e l sw e r ec a r r i e do u to nc a l c u l a t i o no ft h ep r o t o t y p ej e t p u m p ，T h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o t o t y p ep u m pt e s tr e s u l t sa n

14、dn u m e r i c a lr e s u l t sa r e c o m p a r e d T h er e s u l t ss h o w t h a tt h eR N Gk - em o d e lc a nm o r ea c c u r a t e l ys i m u l a t et h e i n t e m a lf l o wf i e l do ft h e j e tp u m p ( 3 ) T h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sa d o p t e dt oj e t

15、p u m ph y d r a u l i c p e r f o r m a n c e o fv e r t i c a la n dh o r i z o n t a li n s t a l l a t i o n F o rj e tp u m pi nv e r t i c a l i n s t a l l a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt og e tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nj e t p u m pe f

16、 f i c i e n c ya n dt h et h r o a tl e n g t h T h er e s u l t ss h o wt h a tb e c a u s eo ft h ei n f l u e n c e o ft h eg r a v i t yf i e l d ，t h ej e tc o r em o v ed o w ni nv e r t i c a li n s t a l l a t i o n T h r o u g ht h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h r e ed i f f

17、e r e n ti n l e t so f j e tp u m p ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e e f f i c i e n c yo fj e tp u m pi n l e td i r e c t i o nw h i c hi sp a r a l l e lt ot h ed i r e c t i o no fn o z z l ei s I 大流量射流泵装置的设计与性能研究 s u p e r i o rt oo t h e re f f i c i e n c i e so f i n l e td i r e c t

18、i o n s ( 4 ) A c c o r d i n gt ot h ej e tp u m pd e s i g nt h e o r ya n d t h es i m i l a r i t yp r i n c i p l e ，t h el a r g e f l o wj e tp u m pd e v i c ei nt h ed i f f e r e n th y d r a u l i cs t r u c t u r ew a sd e s i g n e dr e s p e c t i v e l y T h r o u g ht h en u m e r i

19、c a ls i m u l a t i o n ，t h ej e tp u m ph y d r a u l i cp e r f o r m a n c ew a sp r e d i c t e d i nt w op l a n s B yc o m p a r i n g ，i tw a sf o u n dt h a tt h eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c eo ft h ej e t p u m pd e s i g n e db ye x p e r i e n c et h e o r yi sb e t t e r ( 5 )

20、 I no r d e rt og e t t h eb e s tp e r f o r m a n c eo f j e tp u m p ，t h es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t m e t h o dw a su s e d A c c o r d i n gt ot h et e s tp l a n n i n ed i f f e r e n tg r o u pc o m b i n a t i o n s 诵t h d i f f e r e n ta r e ar a t i oa n dt h r o a tm o u

21、 t hd i s t a n c ew e r et e s t e d T h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t t h ec o m b i n a t i o nw i t hn o z z l ed i a m e t e ro f13m m ，t h r o a tm o u t hd i s t a n c eo f13i l l l nj e t p u m pe f f i c i e n c yi so p t i m a l A st h ej e tp u m po p t i m a ls i z ew a su s e

22、di nt h ef m a ls i z e ， t h ef o r m u l at oc a l c u l a t et h ep e r f o r m a n c eo fj e tp u m pd e v i c et h r o u g ht h ed e v i c e p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o ni n8 ma n d10 ms u c t i o n T h ec a l c u l a t i o n ss h o w e dt h a tt h e s u c t i o nf l o wr a t ei sm o

23、 r et h a n10 m 3 h ，t h ed e v i c eh e a da r em o r et h a n4 0 mw h i c hm e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s T h ed e v i c ee f f i c i e n c yi su pt o2 0 w h i c hi sh i g h e rt h a nt h a t o f t h es m a l lf l o wj e tp u m pd e v i c e K e yw o r d s ：j e tp u m p ，j e tp u m

24、 pd e v i c e ，h i g hs u c t i o n ，l a r g ef l o w , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n I V 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 研究目的及意义I 1 2 射流泵装置的应用3 l - 3 射流泵的应用4 1 4 射流泵装置及射流泵研究现状。5 1 4 1 射流泵装置的研究现状5 1 4 2 射流泵设计理论的研究现状6 1 4 3 射流泵性能优化的研究现状6 1 4 4 射流泵内部流动的研究现状7

25、1 5 研究内容9 第二章射流泵装置基本理论与设计方法1 1 2 1 射流泵装置的结构与基本理论11 2 1 1 射流泵装置结构1 1 2 1 2 射流泵基本理论11 2 1 3 射流泵尺寸参数对性能影响的研究1 4 2 1 4 射流泵汽蚀机理1 6 2 1 5 射流泵相似定理1 7 2 2 射流泵装置回敏性研究1 9 2 3 射流泵装置的汽蚀沉没度的研究2 0 2 4 提高射流泵装置汽蚀性能的措施2 4 2 5 射流泵装置的设计方法2 5 2 6 射流泵装置的性能预测方法2 7 2 7 本章小结2 9 第三章射流泵装置结构尺寸优化的数值模拟研究3 0 3 1 射流泵数值模拟的准确性研究3 0

26、 3 1 1 原型泵性能试验3 0 3 1 2 原型泵的数值模拟3 3 3 1 3 模拟结果与试验结果对比3 8 V 大流量射流泵装置的设计与性能研究 3 2 射流泵最佳喉管长度的数值模拟研究3 8 3 2 1 射流泵安装方向对射流泵装置性能影响的数值分析3 9 3 2 2 最佳喉管长度公式的推导3 9 3 - 3 射流泵吸入口方向对射流泵装置性能的影响4 1 3 3 1 对三种常见的吸入口方向进行数值模拟4 1 3 3 2 结果对比与分析4 2 3 4 本章小结4 3 第四章大流量射流泵装置的设计4 4 4 。1 大流量射流泵装置设计要求4 4 4 2 根据射流泵相似定理设计4 4 4 2

27、1 相似换算后射流泵尺寸4 4 4 2 2 相似换算后射流泵性能预测4 4 4 3 经验理论设计4 5 4 3 1 射流泵的尺寸设计4 5 4 3 2 数值模拟性能预测4 6 4 4 两组方案的比较4 7 4 5 本章小结4 8 第五章大流量射流泵装置的试验及性能预测。4 9 5 1 大流量射流泵装置的试验4 9 5 1 1 试验方案4 9 5 1 2 试验台搭建5 1 5 1 3 试验结果与分析5 2 5 2 装置各工作点性能的预测5 3 5 3 本章小结5 6 第六章总结与展望5 7 6 1 研究工作与总结5 7 6 2 研究展望5 8 参考文献5 9 致谢6 3 作者攻读硕士学位期间取得

28、的相关科研成果6 4 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 目前，我国水资源供需矛盾突出已成为可持续发展的主要瓶颈。而农业作为 用水大户，发展农业节水是缓解水资源供需矛盾的根本途径。喷灌作为节水灌溉 的重要组成部分，是利用水泵加压将水通过压力管道输送到田间，经喷头喷射到 空中，形成细小的水滴，均匀喷洒在农田上，为作物正常生长提供必要水分条件 的一种先进灌水技术。然而，目前农田所用的喷灌水泵的吸上高度一般在3 m - 5 m 以下，这主要是由于其自吸结构的限制。而我国地形多遍，由于近年来水位不断 下降，许多需排灌地区水位距地面8 m 以上，远大于普通自吸泵的最大吸程。且 作为

29、常用高吸程提水机的潜水电泵，在我国中西部很多无电网或缺电地区无法使 用。 射流泵装置是一种高吸程抽水装置，由离心泵、射流泵及管路等构成，可通 过汽柴油机驱动，其结构如图1 1 所示。工作液由工作泵提供的能量经过进水管 克服管路沿程阻力损失、局部阻力损失以及在射流泵中与被引射液混合所发生的 损失，并克服重力把混合液经回水管输送回离心泵。混合液回到工作泵时还有剩 余水头，射流泵装置便可完成工作循环。由于其特殊的结构，使其吸程可以达到 l O m 以上i t - 2 ，具有投资省、易维护及结构简单等特点。然而，目前市场上的射 流泵装置都以小流量为主，主要用于家庭用水，井点降水等，装置整体效率在 1

30、0 以下。大流量射流泵装置较少，特别是用于灌溉行业的还未见报道。因此， 设计出可用于水位距地面超过5 m 以上地区喷灌的大流量、高效率的射流泵装置， 填补市场空白，对灌溉技术的发展具有重要意义。 射流泵为射流泵装置的主要工作部件，其结构如图1 2 所示。工作液体从动 力源沿压力进入喷嘴1 ，在喷嘴出口处由于射流和空气之间的粘滞作用，把喷嘴 附近空气带走，使喷嘴附近形成负压，在外界大气压力作用下，将被吸液体压入 吸入室2 ，并随同高速工作液体一同进入喉管3 内，在喉管内两股液体发生动量 交换，工作液体将一部分能量传递送液体。到达喉管末端时两股液体的速度渐趋 1 大流量射流泵装置的设计与性能研究

31、一致，混合过程基本完成。混合液进入扩散管4 ，在扩散管内流速渐降低、压力 上升并进入出水管路。 1 离心泵，2 射流泵，3 一进水管，4 回水管 l - C e n t r i f u g a lp u m p ，2 一J e tp u m o ，3 一I n l e tp i p e ，4 一O u t l e tp i p e 图1 - 1 射流泵装置示意图 F i g 1 一lT h es t r u c t u r eo f j e tp u m pd e v i c e 1 喷嘴，2 一吸入室，3 喉管，4 扩散管 1 - N o z z l e ，2 - S u c t i o n

32、c h a m b e r ，3 一T h r o a tp i p e ，4 一D i f f u s e rp i p e 图I - 2 射流泵结构图 F i g 1 - 2T h es 仃u c t u r eo f j e tp u m p 由于射流泵是通过工作液与被吸液相互碰撞来传递能量，在混合时产生大量 漩涡，喉管及扩散管中发生的摩擦损失及扩散损失都会引发水力损失，导致射流 泵的效率较低【3 ，这一直是射流泵装置效率不高的主要原因。因此通过理论结合 试验的方法对射流泵各尺寸参数进行优化设计，对提高射流泵装置性能具有重要 意义。 江苏大学硕士学位论文 1 2 射流泵装置的应用 射流泵

33、装置作为液液射流泵最主要的用途，在高吸程取水，挖泥船，润滑油 的供输，井点降水，集鱼船等方面都有广泛应用。 ( 1 ) 高吸程取水 射流泵装置通常是指射流泵与作为动力源的离心泵通过管路连接组成的提 水装置，其吸水高度可达l O r e 以上。目前，常用的高吸程提水机除了射流泵装 置以外，还包括潜水电泵和长轴深井泵。潜水电泵成本较高，径向尺寸较大，不 易放入口径较小的井中取水。中西部很多地区无电网或缺电，潜水电泵无法使用。 长轴深井泵为长轴旋转机械，制造要求和安装精度较高，因此使用成本较高。射 流泵装置不仅满足对于吸程及效率的要求，而且相对潜水电泵和长轴深井泵，拆 装方便，可用柴油机驱动。 在大

34、变幅取水泵站射流泵装置的应用与其他高吸程取水装置相比，具有投资 省、工作可靠，制造、安装和维护方便、寿命长的优点。而且，在高水位时只有 离心泵工作，装置保持高效运行，在枯水位，射流泵和离心泵联合工作，通过优 化设计，也能使装置保持在较高的效率下运行。 ( 2 ) 挖泥船 目前国内外常见的挖泥船主要有抓斗式、绞吸式、潜水泵式、气升式、及射 流式等五种。由于抓斗式及绞吸式挖泥船在水下开挖深度浅，对水工建筑物容易 造成损坏。潜水泵式挖泥船的电机密封易损坏，可靠性差。气升式挖泥船能耗高 且效率低。射流式挖泥船具有结构简单，可靠性高，水下开挖深度大等优点。因 此射流式挖泥船已被广泛用于运河开挖，航道疏浚

35、，海岸整治和海洋开发等工程。 ( 3 ) 射流泵供油装置 射流泵供油装置用于向汽轮机供油，由射油器( 射流泵) 与离心油泵组成， 其功能为从油箱中抽出润滑油以正压注入离心油泵，保证在此过程中不发生汽 蚀，可靠工作。由于射油器没有转动部件，结构简单，因此其具有加工方便、易 维护、可靠性高等优点。它的缺点是传能效率较低。 ( 4 ) 井点降水 大流量射流泵装置的设计与性能研究 井点降水已被国内外广泛使用，这种方法是利用在基坑周围埋设能渗水的井 点，通过射流泵装置使地下水下降至基坑一下深度，保证基坑处土方干燥，以便 基础施工。井点降水的特点是降水效果好，施工简单方便，技术易学，适合于任 何形状的基坑

36、。我国在沿海地区、如上海、天津、广州等地应用井点降水的方法 很多，在宝钢初轧厂、炼钢厂、无缝厂等几项基础工程中都采用了井点降水并取 得了成功。井点降水在软土层中的应用成功使其成为我国深层降水的有效方法之 o ( 5 ) 集鱼船 集鱼船是一种新型的过鱼设备，其具高机动性可在鱼群集中处诱鱼且造价较 固定设备低，因此对解决水利工程中的过鱼问题有很大的价值。射流泵装置在集 鱼船中的应用主要是补水增加鱼道流速使其大于河道流速以诱集鱼群。 1 3 射流泵的应用 ( 1 ) 农业供水及井灌 射流泵适用于井径大于8 0 m m 的深井，及水面水位较低的江河提水。利用射 流泵与离心泵结合为射流泵装置，其装置效率

37、可达5 0 以上。射流泵装置具有结 构简单、工作可靠，成本低易维护等特点。 ( 2 ) 水力发电站供水 在水里发电站中，射流泵用于向水轮机与发电机供水进行冷却和润滑。经过 实践发现，射流泵供水比水泵供水更加可靠经济。除此之外，射流泵还经常用于 水轮机顶盖和集水井排水，对水轮机虹吸进水管抽气启动和对尾水管进行强制补 齐以减少机组的振动和汽蚀等。 ( 3 ) 鱼类输送与增氧 由于射流泵内部没有运动部件，鱼类不会致伤，因此被广泛作为渔泵被使用， 射流泵将鱼群从围堰中抽送至渔船，大大提高了鱼群的成活率。在对鲜鱼的保存 中，射流泵还起到了增氧的作用。 ( 4 ) 核动力工程 在核动力工程中，射流泵被用于

38、大型废水反应堆的再循环系统，缩小了反应 4 江苏大学硕士学位论文 堆地下室的空间，提高了设备的安全性和经济性。当发生意外管路破裂时，射流 泵系统可以保证冷却液在反应堆里流动从而保证了设备工作的可靠性。 ( 5 ) 消防工程 在油库消防系统中，无法用水枪直接扑灭。射流泵可以通过泡沫剂与空气混 合后产生大量泡沫，迅速扑灭大火。 ( 6 ) 灌溉排水 在井渠结合的灌区，利用井泵的剩余水头，通过射流泵来提高渠道水位，以 满足高地灌溉的需求。在基坑排水时利用上游围堰作为水头，通过射流泵来排水， 无需电力与燃料，并且能连续工作以保持基坑的干燥。 ( 7 ) 船舶排水等 射流泵在船舶上被广泛用于舱底排水，由

39、于其耐磨损，维护方便，可直接排 出污水。在舰船和潜艇射流泵还被用于冷凝器抽气和排热等。 1 4 射流泵装置及射流泵研究现状 1 4 1 射流泵装置的研究现状 目前国内外对射流泵装置的整体研究较少，主要研究包括对射流泵装置的设 计和对性能的预测方面。 美国的B r o w n 等 4 】在上世纪八十年代就对射流泵装置的回敏性、汽蚀沉没度 及射流泵的设计进行了研究。我国对射流泵装置的引进较晚，上世纪九十年代龚 传炳 5 】对日本的家用深井射流泵装置的分类和特点进行了介绍，郭万和等【6 对射 流泵理论和应用进行了阐述。 在射流泵装置整体设计方法方面，葛晓霞等 7 】对射流泵装置特性计算进行了 研究，

40、特除了用计算机对射流泵装置的特性进行计算并进行了试验验证，武汉大 学的陆宏圻等 8 l 提出了比较具体的射流泵装置的设计方法，在给定工作泵、管路 和水位条件时，可求得所需射流泵的尺寸范围，并通过计算公式预测装置性能。 龙新平等 9 1 在此基础上进行了优化，提出了约束条件，但目前对于所设计射流泵 给定的最优尺寸的范围仍然较大。 大流量射流泵装置的设计与性能研究 1 4 2 射流泵设计理论的研究现状 射流泵是一种通用机械，它的研究和应用已有1 0 0 多年的历史。早在十九世 纪六十年代，德国学者G 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 年又与M

41、R u n k i n 1 0 1 进一步完善与发展了这个理论。1 9 3 3 1 9 3 4 年， J E O b f i e n 1 1 1 在加里福尼亚大学进行了系统的液体射流泵试验研究工作，建立了 它的基本性能方程。1 9 4 8 年，D C i t r i n i l l 2 】在分析了射流泵的阻力损失后，提出了 提高泵效率的途径。1 9 5 2 年，M a c o n a g h y 1 3 1 提出了射流泵性能的计算方法。1 9 5 6 年，V o g e lR f 1 4 1 研究了射流泵的基本性能最优设计参数，提出射流泵效率可以达 到4 0 。1 9 6 5 年，H a n

42、s e n 1 5 1 提出了液体射流泵的设计方法。1 9 7 3 1 9 7 5 年， B J H i l l 1 6 】等利用二元流的方法对液体射流泵的性能进行了分析，并用有限差的 方法求出了其数值解。 我国学者对射流泵的研究起步较晚，在二十世纪5 0 年代初，才开始引进射 流泵的样机和设计资料。1 9 8 9 年，陆宏圻等 1 7 t8 对射流泵进行了大量的研究和 总结，较为全面地给出了射流泵的设计方法和设计理论，为以后射流泵的研究和 应用奠定了基础。陆宏圻在总结前人研究成果的基础上，提出了准二维理论，在 此基础上导出了射流泵的性能方程，为射流泵提供了较实用的设计理论，大大地 推动了射流

43、泵的应用发展，是射流泵史上一次重要的里程碑。但是文献中有关工 作点的求解，对于设计者来说，计算过程过于繁杂，有些系数也难以确定。在美 国、西欧、前苏联、日本，射流一离心泵装置被广泛应用于深井提水，石油开采。 我国在六七十年代开始研制射流式井泵，经过几十年的发展，射流泵的效率、使 用寿命有了不少的提高。 1 4 3 射流泵性能优化的研究现状 由于在射流泵中两股流体混合时，会产生较大的能量损失，导致射流泵的效 率较低。因此，如何提高射流泵的效率，一直以来都是国内、外学者研究的重点。 二十世纪7 0 年代以来，国内、外学者提高射流泵效率最常用的一种途径，就是 改进射流泵的结构，实现射流泵的结构参数最

44、优化。W i n o t o 等 1 9 】采用一维模型 推导出射流泵的效率方程，通过理论分析和实验得出，采用锥直形喷嘴的射流泵 江苏大学硕士学位论文 在面积比为3 3 3 时，具有最高的效率。G u i l l a u m e 和J u d g e 2 0 l 针对长短轴比为3 ：1 的椭圆形喷嘴的射流泵进行了研究，结果表明可以明显地提高效率。王常斌等【2 1 依据能量守恒原理，得出射流泵效率的计算公式，并且利用函数极值原理得出了 射流泵的最优参数方程，结果表明，摩擦损失系数是影响射流泵效率的主要因素。 1 9 7 1 年，法国学者S C C r o w 等 2 2 】在射流泵装置上进行脉冲

45、射流的试验研究，结 果表明射流泵的效率有明显提高。1 9 9 0 年，K B r e m h o r s t 等经过分析后指出，正 是由于脉冲射流的流场分布不同于恒定射流，才导致射流泵的效率有较大的提 高。国内学者也对此进行了不少研究。1 9 8 6 年，陆宏圻【2 3 】研究了脉冲射流真空 泵的运行机理，提出了其基本方程。自1 9 9 4 年以来，龙新平【2 。 对脉冲射流泵进 行了一系列研究。1 9 9 5 年，高传昌等【2 5 2 7 根据脉冲流体的能量方程和动量方程， 推导出了脉冲流体的时均方程和相关系数，并对射流泵的喉管进口函数、动量修 正系数和时均性能进行了数值计算和试验研究。 1

46、 4 4 射流泵内部流动的研究现状 ( 1 ) 射流泵内部流场数值模拟的研究现状 射流泵内部流动属于强剪切湍流射流，当射流速度很大，雷诺数超过临界值 时，切向间断面会出现涡旋，这些涡旋在流动中做不规则运动，使整个流动不具 有相似的特性。所以，长期以来人们对射流泵内部流场流动机理的认识还不够充 分。近几年来，随着计算流体力学和试验测试手段的快速发展，人们可以通过数 值模拟和试验两种手段对射流泵进行研究，从而揭示射流泵的内部流动规律。 数值模拟是近来广泛采用的一种研究手段。正确的数值模拟结果能够指导流 体机械的设计，从而避免了大量的模型试验，减少了设计成本，为试验研究提供 了良好的理论基础。Q u

47、 i r m 等【2 8 】利用数值计算的方法，对不可压的低速射流下不 同流道型线的喷嘴进行了研究，指出射流初始段截面上速度的衰减以及轴心速度 的衰减与喷嘴内部流道型线有关。K h a n 等 2 9 币1 J 用连续方程、动量方程以及紊动 能和能量耗散方程，预测了不同蓝宝石喷嘴内高压紊流的动力学行为，计算了三 种不同的喷嘴收缩角。N i n g 等 3 0 】在引入了喷嘴压力比、管宽与喷嘴宽度比和雷 诺数的基础上，分析了射流泵的二维流场，结果表明，存在最优管宽与喷嘴宽度 大流量射流泵装置的设计与性能研究 比，并且随着喷嘴压力比的增大，射流泵的效率也会升高。 国内学者也采用数值模拟方法，对射流

48、泵进行了深入研究。武汉大学龙新平 等【3 1 刷用贴体坐标变换技术，结合混合有限分析法，对射流泵的内部流场进行数 值模拟。常洪军等t 3 2 1 币l J 用数值模拟的方法，得出了射流泵流场内压力和速度的分 布情况。浙江大学王常斌等 3 3 】通过数值模拟得出，在射流泵流场中，湍流主要发 生在喉管入口处，湍动能不平衡将会产生额外的能量损失。2 0 0 7 年，安徽理工 大学刘萍等【，n 在相同的条件下，分别改变锥直形喷嘴的喷嘴收缩角、喷嘴出口圆 柱段长径比、喷嘴出口直径等参数，对锥直形喷嘴射流的速度衰减特性进行数值 分析。2 0 0 7 年，赵伟民等【3 5 】对不同喷嘴收缩角的喷嘴进行数值分

49、析，从而得出 喷嘴收缩角对射流流场有较大的影。2 0 0 8 年，周文会等【3 6 】以高压水射流设各中 的喷嘴为研究对象，改变喷嘴的结构参数，对喷嘴射流的速度衰减特性进行数值 模拟和分析，从而得出最佳的喷嘴结构参数。2 0 0 8 年，杨国来等 3 7 】针对两种不 同结构型式的喷嘴，对高压水射流流场的压力、速度等物理量进行两相流的数值 模拟分析，并将两种喷嘴的计算结果进行分析对比。2 0 1 1 年，徐瑞等【3 8 】对不同 喷嘴收缩角的喷嘴在不同压力下的流场进行仿真分析，并对数值模拟结果进行分 析对比。武汉大学文吉运等 3 9 】从大涡模拟湍流模型和二维弱可压流动控制方程出 发，对射流泵

50、各工况下的内部流场进行了大量数值分析，特别是对喷嘴出V I 的旋 涡进行模拟分析，提出了改进射流泵流场计算的方法。李同卓等 4 0 】采用蒙特卡罗 法对射流泵内部流场进行数值模拟，为我国今后数值模拟方面的研究发展开辟了 新的道路。 以上对射流泵的数值模拟等研究中其都为水平安装的情况，而在射流泵装置 中，射流泵多为垂直安装以减小径向尺寸在井中使用。因此垂直安装对射流泵装 置中的射流泵性能的影响需要进一步探讨。 ( 2 ) 射流泵性能试验的研究现状 在射流泵内部流场的试验研究方面，人们早期使用热线风速仪和毕托管来测 定射流泵流场内的流速，但是会对流场造成一定的干扰，从而影响了测量结果的 精确度。随

51、着粒子成像测速技术和激光多普勒测速技术的发展，射流泵流场的测 试越来越精确。武汉大学梁爱国等【4 - 利用P I V 技术对射流泵内部流场进行测量， R 江苏大学硕士学位论文 测量结果表明，射流泵内的流动结构大致可以分为流核区、射流边界层区、回流 区和管流区，并且，合适的流量比能够使射流泵在高效区内运行。顾磊等 4 2 】通过 试验研究了射流泵的结构形状以及工作参数对其装置效率和空化流量的影响，通 过分析找出了其合适的配比方案。段新胜等 4 3 】通过大量的对比性试验，对环形多 喷嘴射流泵进行了深入研究，得出合理设计的各结构参数可以显著改善射流泵的 性能。 目前国内学者对射流泵的性能试验研究较

52、多。由于试验场地限制，对整个装 置的性能试验研究不多，因此研究如何在平地上完成射流泵装置的试验十分必 要。 1 5 研究内容 本课题来源于“十二五”国家高科技研究发展计划( 8 6 3 ”计划) “精确喷灌技 术与产品”( 编号：2 0 1 1 A A l 0 0 5 0 6 ) 。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 研究射流泵装置的汽蚀沉没度，通过理论分析对其计算公式进行推导， 并通过试验进行验证。 ( 2 ) 研究不同湍流模型对射流泵性能模拟的准确性。采用标准缸s 模型、R N G 缸s 模型和R e a l i z a b l ek - e 模型三种不同的湍流模型进行定常计算，将所得的

53、计算结 果和试验结果进行比较。 ( 3 ) 通过对垂直及水平两种安装方向时射流泵的性能数值模拟分析重力的 变化对射流泵喉管中流场的影响，并通过对数值模拟结果的拟合出各方向上对应 的最佳相对喉管长度公式。通过数值模拟对三种不同吸入口方向的射流泵的性能 曲线进行预测和分析，探索射流泵的最佳吸入口方向。 ( 4 ) 根据射流泵设计理论并结合相似放大原理，对大流量射流泵装置的射 流泵进行了设计，通过数值模拟预测两种方案所得射流泵的水力性能，并最终确 定一种射流泵的尺寸进行样机试验。为了得到使性能达到最佳的尺寸配比，采用 单因素试验方法，根据试验方案所确定的多组不同组合方案进行试验以的得到性 能晟优的尺

54、寸组合。 0 大流量射流泵装置的设计与性能研究 ( 5 ) 采用最优尺寸组合作为射流泵最终尺寸，通过装置性能预测公式计算 得到射流泵装置在8 m 及l O m 吸程工作时的性能，并验证扬程、流量和效率等是 否符合设计要求 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章射流泵装置基本理论与设计方法 2 1 射流泵装置的结构与基本理论 2 1 1 射流泵装置 射流泵装置一般由离一t L , 泵、射流泵及管路并联而成，如图1 1 所示。除了 最普遍的结构以外，其他结构的射流泵装置还包括射流泵装置a ，如图2 1 所示， 其特点是将原来的单级离心泵换成双级离心泵。首级叶轮将部分混合液送入蓄水 池，部分混合液流入

55、进入下一级叶轮，作为高压工作水通过进水管再次进入射流 泵。这种结构的优点是对工作水和排出水区另1 J J n 压，避免造成能源上的浪费，缺 点是占地面积大，机动性差。另外一种射流泵装置b ，如图2 - 2 所示，其特点是 回水管在进入离。t L , 泵前通过三通分成两部分，一部分经泵1 加压送入蓄水池，一 部分经过泵2 加压后经回水管再次送入射流泵。这种结构的特点是可以通过单独 调节两个离，t L , 泵的开度来控制扬程等，缺点是需要两台离一t L , 泵及额外管路，安装 繁琐且耗能高。 图2 1 射流泵装置a 示意图图 F i g 2 - 1T h es t r u c t u r eo f j e tp u m pd e v i c ea 2 1 2 射流泵基本参数 2 - 2 射流泵装置b 示意图 F i g 2 2T h es t r u c t u r eo f j e tp u m pd e v i c eb 射流泵的主要无量纲参数如下所示： ( 1 ) 流量比