射流泵內(nèi)壓力分布研究

肖 頎，林原勝，魏志國，王俊榮，李少丹

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205；2.海裝廣州局，廣東 廣州 510310)

射流泵內(nèi)壓力分布研究

肖 頎1，林原勝2，魏志國1，王俊榮1，李少丹1

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205；2.海裝廣州局，廣東 廣州 510310)

本文采用 CFD 模擬了射流泵中的流動情況，并對射流泵結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計以抑制空化。采用不同湍流模型發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果類似，雷諾應力模型相對來說與實驗數(shù)據(jù)更為相符。隨著流量比的增大，最低壓力點位置由噴嘴出口平直段銜接處向喉部銜接處轉(zhuǎn)移。隨后本文對這兩處位置進行優(yōu)化，取消噴嘴出口平直段，采用漸縮噴嘴，模擬結(jié)果顯示該方案能有效消除噴嘴處的靜壓低壓區(qū)；對喉部銜接處進行光順化處理能有效提高該處的最低靜壓值。本文的計算結(jié)果能為射流泵優(yōu)化設(shè)計提供參考。

射流泵；最低靜壓；CFD；空化

0 引 言

射流泵是一種利用高速流體帶動周圍流體，并起一定混合作用的設(shè)備，由于結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件、密封性好、可靠性高等優(yōu)點，在核工程、制冷、石油開采、清洗、材料切割等領(lǐng)域得到了廣泛應用[1-3]。由于射流泵中冷熱流體并存且壓力變化較大，當局部壓力低于液體當?shù)仫柡蛪毫r，會引發(fā)空化現(xiàn)象。對于特定領(lǐng)域，如材料切割、高壓清洗、巖石破碎和油井疏通等，需要利用和加強射流泵的空化氣蝕現(xiàn)象。而在艦船系統(tǒng)中，射流泵中發(fā)生的空化現(xiàn)象會產(chǎn)生明顯的噪聲和振動、降低系統(tǒng)效率、造成氣蝕、進而影響整個系統(tǒng)安全[4]。射流泵中的空化現(xiàn)象已經(jīng)成為制約其優(yōu)化設(shè)計的瓶頸，國內(nèi)外研究者針對射流泵中的流場、壓力場及空化規(guī)律展開了大量研究。

Pianthong 等[5]采用 CFD 方法研究了應用于噴射制冷系統(tǒng)中的射流泵流場，發(fā)現(xiàn)三維模擬結(jié)果與軸對稱模擬結(jié)果相差不大，隨后研究了喉嘴距、喉管長度和有效面積等因素對性能的影響，為射流泵的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。Fan 等[6]采用 CFD 對超音速射流泵內(nèi)流動進行模擬，對比了不同湍流模型模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各種k-ε模型的預測結(jié)果非常接近，雷諾應力模型盡管能稍微提高模擬精度，但計算量較大。隨后對射流泵設(shè)計參數(shù)進行了相應優(yōu)化，能顯著降低真空度，并將射流泵效率從 29% 提高到 33%，能耗降低了 20%。Bartosiewicz 等[7]對比了 6 種常見的湍流模型對超音速氣體射流泵的模擬精度，發(fā)現(xiàn) SSTk-ω精度最高，并發(fā)現(xiàn)在不同工況下 CFD 都能較準確地預測射流泵中流動情況，但同時作者提出在其他工況下，射流泵的 CFD 模擬精度如何還需進一步驗證研究。梁愛國等[8]采用k-ε模型對射流泵內(nèi)部流場進行了模擬分析，得到了面積比為 3.0～8.0 時射流泵最優(yōu)喉管長度的相應關(guān)聯(lián)式。龍新平等[9]采用 Realizablek-ε模型和空化模型模擬了面積比為 8.16 的射流泵內(nèi)不同空化階段的兩相流動，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬能準確預測氣泡的初生、流動、破碎聚并及潰滅消逝過程，研究了不同出口壓力對氣蝕的影響。蔡標華[1]對射流泵內(nèi)初始空化進行了實驗研究，射流泵中存在空氣空化和蒸汽空化 2 種空化形式，而壓力降低和相對速度的增加都會引起蒸汽空化，并研究了工作壓力、流量比和面積比等因素對初生空化的影響。肖龍洲等[10]采用 Realizablek-ε湍流模型對環(huán)形射流泵內(nèi)的空化流動進行模擬，指出由于速度剪切形成的漩渦中心、回流區(qū)中心位置以及喉管入口壁面處脫流等位置容易發(fā)生空化，并研究了不同吸入室角度對射流泵空化性能的影響。從上述文獻綜述可看出，盡管目前已經(jīng)開展了大量的射流泵實驗、理論和數(shù)值模擬研究，但射流泵空化研究還處于探索階段，射流泵中壓力分布情況，特別是最低壓力點隨不同工況下出現(xiàn)的規(guī)律還有待深入研究。

本文采用商業(yè) CFD 軟件 Ansys Fluent 15.0 對射流泵內(nèi)單相三維流動進行數(shù)值模擬，分析射流泵內(nèi)壓力場，針對最容易出現(xiàn)空化現(xiàn)象的靜壓極小值點出現(xiàn)位置的變化規(guī)律進行研究，并提出了相應的優(yōu)化方案，為工程設(shè)計提供參考。

1 計算模型

本文首先對文獻[1]中射流泵進行三維模擬以驗證數(shù)值模擬的準確性，采用商業(yè)軟件 Ansys Fluent 對該裝置進行數(shù)值模擬。其結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格如圖 1 所示，全部采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格量約為 61 萬，噴嘴直徑為 12.1 mm，喉嘴距也為 12.1 mm，在噴嘴出口處有 3 mm 長圓柱過渡段，喉管直徑 40 mm，喉管長度為 280 mm，擴散管長度為 225 mm，射流泵出口直徑為 65 mm，射流泵面積比為 10.93。由于射流泵內(nèi)流動涉及高雷諾數(shù)、強剪切等問題，所以首先需要對湍流模型進行考察選擇，確定合適的湍流模型。工作流體在噴嘴出口處流速為20 m/s，工作流體和被抽流體入口邊界條件均設(shè)置為速度入口，出口設(shè)為壓力出口，出口壓力設(shè)為大氣壓。

2 湍流模型

從前面文獻綜述可以看出射流泵內(nèi)流動具有雷諾數(shù)高、剪切強等特點，要準確預測射流泵內(nèi)流場就必須對湍流模型進行選擇。本文對比了文獻中射流泵模擬常用的雷諾應力模型（Reynolds Stress Model，RSM）、標準k-ε模型（Ske）和 SSTk-ω（SST）模型的影響，其模擬結(jié)果如圖 2 所示。其中h為壓力比，η為射流泵效率，定義如下：

從圖 2 中可看出，CFD 可以較準確地預測射流泵壓力比和效率隨流量比的變化趨勢，說明采用 CFD 研究射流泵內(nèi)流動情況合理可靠。需要注意的是 CFD 預測的壓力比在大部分流量比范圍內(nèi)都略大于實驗測量值，這可能是模擬結(jié)構(gòu)與實際實驗結(jié)構(gòu)存在偏差造成的。圖 2 還顯示盡管不同湍流模型預測的結(jié)果有所不同，但相差并不大，都能與實驗值相符。盡管雷諾應力模型計算量比其他模型（標準k-ε模型和 SSTk-ω模型）偏大，但在射流泵效率預測精度方面有優(yōu)勢。由于雷諾應力模型并非基于各相同性湍流假設(shè)，對于射流泵這類在流場內(nèi)存在強剪切的流動在本構(gòu)方程方面更具優(yōu)勢，所以本文后續(xù)將采用雷諾時均模型對射流泵展開模擬研究。

3 流場分析

圖 3 給出了流量比從 0.61～3.65 時射流泵內(nèi)速度和壓力分布云圖。從圖中可看出在不同流量比下，總體來說喉部區(qū)域靜壓較低，在這個區(qū)域中較容易產(chǎn)生空化氣泡。喉部由于高速流體突然脫離邊壁，容易造成局部的回流低壓。于是進一步放大觀察喉部的壓力分布（見圖 4），可以明顯看出局部靜壓最低點出現(xiàn)在如圖所示 1 和 2 區(qū)域，緊貼壁面的流體突然脫離邊壁，產(chǎn)生局部的低壓區(qū)。在流量比較低時，被抽流體速度較低，位置 2 處壓力變化并不劇烈，壓力最低點出現(xiàn)在 1 區(qū)域，隨著流量比增大，被抽流體速度逐漸升高，由于流體脫離造成的回流越來越明顯，位置 2處壓力越來越低，壓力最低點逐漸轉(zhuǎn)移到該處。在位置 3 處由于工作流體和被抽流體之間在流量比較低時存在較為明顯的速度差，所以會形成較強的剪切流，此時剪切形成的漩渦也會形成一個局部低壓區(qū)，但相比于 1 和 2 處，壓力依然相對較高。從以上分析可以看出壓力最低點，也就是最容易發(fā)生空化的位置一般出現(xiàn)在位置 1 和 2 處，要避免在該位置發(fā)生空化，繼而抑制氣蝕和噪聲，主要需對這兩位置結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

4 優(yōu)化方案

針對位置 1 和 2 處壓力較低，容易發(fā)生空化的問題，本節(jié)對這兩處結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。從上面分析可以看出靜壓過低主要是由流體脫離壁面造成的，所以首先我們對位置 1 處進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，新方案中噴嘴采用漸縮結(jié)構(gòu)而不采用平直段（如圖 5 方案 1 所示）。圖 6給出了修改后的射流泵特性曲線及效率曲線，可以看出 2 種方案在特性曲線和效率方面相差不大。在低流量比時，原方案效率稍高，在高流量比時，方案 1 效率較高，但總的來說相差并不大，由此可見將噴嘴出口平直過渡段改為漸縮結(jié)構(gòu)并不會顯著影響射流泵效率。

圖 7 給出了方案 1 與原方案射流泵最低靜壓隨流量比的變化關(guān)系，從圖中可以看出在較低流量比時，采用方案 1 漸縮噴嘴結(jié)構(gòu)，射流泵中的最低靜壓相比于原方案明顯升高，能有效抑制該處的空化。在高流量比時 2 種方案最低靜壓相差不大，甚至原方案最低靜壓要相對高一點。結(jié)合圖 4 和圖 9 可看出，采用漸縮噴嘴結(jié)構(gòu)，在噴嘴出口處不會存在由流體脫離壁面而形成的低壓區(qū)，所以在低流量比時最小靜壓值要明顯升高。而在高流量比時，最低靜壓點出現(xiàn)在喉部連接處（圖 4 中的位置 2），所以改變噴嘴結(jié)構(gòu)并不能改善喉管銜接處的最低靜壓。

為避免被抽流體突然脫離壁面，可在圖 4 所示 2處位置采用光滑曲面過度，方案 2 即在方案 1 的基礎(chǔ)上對在喉部位置外壁面進行光順化處理，示意圖如圖 8所示。圖 6 給出了方案 2 的射流泵特性曲線及效率曲線，可以看出方案 2 射流泵的特性曲線和效率曲線與方案 1 十分接近，同時也與原方案類似。也就是說對喉管部進行光滑過渡處理并不會對泵特性和效率產(chǎn)生明顯影響。

圖 7 同時給出了方案 2 中靜壓最低值隨流量比的變化情況，可以看出方案 2 在本文模擬的所有流量比中均比原始方案靜壓最低值高，即方案 2 結(jié)構(gòu)能有效減小或抑制空化現(xiàn)象的發(fā)生。在低流量比時，靜壓最低值與方案 1 接近。原始方案中靜壓最低點位置隨著流量比的增加逐漸從噴嘴出口處（位置 1）轉(zhuǎn)移到喉管邊壁（位置 2），由于方案 2 對喉管邊壁進行了光順化處理，能有效抑制流體突然脫離壁面引起的邊界層分離現(xiàn)象，從而不容易形成局部低壓區(qū)，進一步抑制空化現(xiàn)象的發(fā)生。

查看方案 2 喉部壓力分布（見圖 9），可以看出方案 2 中低壓區(qū)集中在喉部（圖 4 中位置 2）以及工作流體與被引流體接觸發(fā)生強剪切處（圖 4 中位置3），所以要進一步升高最低靜壓，需要對圖 4 中位置2 處喉部結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化，或者如文獻所述，采用兩級射流泵以抑制空化現(xiàn)象發(fā)生[11]。

5 結(jié) 語

本文對射流泵內(nèi)三維流動情況進行了單相流數(shù)值模擬，重點考察了射流泵內(nèi)靜壓最低點出現(xiàn)位置，主要結(jié)論如下：

1）不同湍流模型均能較為準確預測射流泵的特性曲線和效率曲線，相對來說雷諾應力模型與實驗結(jié)果更接近；

2）隨著流量比增大，靜壓最低點位置由噴嘴出口平直過渡段逐漸轉(zhuǎn)移到喉部銜接處；

3）噴嘴出口取消平直段，采用漸縮結(jié)構(gòu)及對喉部銜接處進行光順化處理能在不影響射流泵效率的前提下顯著提高最低靜壓值，抑制空化。

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CFD simulations for the optimization of jet pumps

XIAO Qi1, LIN Yuan-sheng2, WEI Zhi-guo1, WANG Jun-rong1, LI Shao-dan1
(1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China; 2.Guangzhou Bureau of Navy Equipment Department, Guangzhou 510310, China)

The 3-D flow inside the jet pump was simulated in this paper.The static pressure distribution, which is related to the cavitation phenomenon occurring inside the jet pump, was analyzed.It was found that different turbulence models lead to similar simulation results, and the Reynolds stress model offers the best efficiency prediction comparing with the experimental data.The simulation results show that the location of minimum static pressure moves from the nozzle exit region to the connection between the suction chamber and throat when increasing the flow rate ratio.Then two optimizations have been proposed: 1.adopting the convergent conical nozzle design and removing the straight zone at the nozzle exit.2.Using the smooth curve instead of the sharp connection between the suction chamber and throat.Those two optimizations could both significantly improve the minimum static pressure, which further suppression the cavitation phenomenon.The simulation results could provide theoretical support for the jet pump designs.

jet pump；minimum static pressure；CFD；cavitation

TH38

：A

1672-7619(2017)01-0085-05doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.017

2016-04-13；

: 2016-05-31

國家自然科學基金資助項目(51406138)

肖頎(1988-)，男，博士，工程師，主要從事汽液兩相流數(shù)值模擬研究。