射流泵在放射性廢液輸送中的應(yīng)用研究

付興亮　徐琰

【摘 要】射流泵是一種利用工作流體的高速射流來輸送流體的設(shè)備，本文介紹了將射流泵用于含泥漿放射性廢液提取和輸送的工藝方案，并用CFD模擬的方法對(duì)其中的關(guān)鍵設(shè)備射流泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和選型。通過模擬不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件下射流泵內(nèi)部流場(chǎng)的分布，選擇最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，為將該技術(shù)應(yīng)用到工程實(shí)踐中提供支持。

【關(guān)鍵詞】放射性廢液；提取和輸送；射流泵；數(shù)值模擬

0 引言

目前國(guó)內(nèi)已有一定規(guī)模放射性廢液輸送的工程經(jīng)驗(yàn)，但尚無大型放射性貯槽倒空的先例，為了實(shí)現(xiàn)大型放射性廢液貯槽倒空，需要對(duì)含泥漿廢液的提取和輸送工藝及關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行充分的研究和驗(yàn)證。射流泵具有沒有內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無泄漏、無液位限制、易于加工等特點(diǎn)，當(dāng)工作液體和引射液體為同一種液體時(shí)，射流泵工作過程中不產(chǎn)生廢氣、不增加廢液，所以在放射性流體輸送方面有獨(dú)特的優(yōu)越性[1，2]。但是，目前國(guó)內(nèi)尚無射流泵在放射性廢液輸送工程中應(yīng)用的先例。本文介紹了大型放射性廢液貯槽中含泥漿廢液的提取和輸送方案，并采用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)關(guān)鍵設(shè)備射流泵進(jìn)行研究，CFD模擬可部分減少射流泵研制過程中水力學(xué)結(jié)構(gòu)尺寸的反復(fù)，縮短設(shè)計(jì)和驗(yàn)證周期。

1 射流泵裝置原理

射流泵裝置主要由射流泵與為其提供動(dòng)力的工作離心泵組成，原理見圖1。

圖1 射流泵裝置原理示意圖

射流泵是一種利用工作流體的高速射流來輸送流體的設(shè)備。射流泵的工作原理是工作液體從動(dòng)力源（如：工作離心泵）沿壓力管路引入噴嘴，在噴嘴出口處由于射流和被引射流體之間的粘滯作用，把噴嘴附近的空氣帶走，使噴嘴附近形成真空，在外界大氣壓力作用下，引射液體從吸入管路被吸上來，并隨高速工作液體一同進(jìn)入喉管內(nèi)，在喉管內(nèi)兩股液體發(fā)生動(dòng)量交換，工作液體將一部分能量傳遞給引射液體，到達(dá)喉管末端兩股液體的速度漸趨一致，然后進(jìn)入擴(kuò)散管，在擴(kuò)散管內(nèi)將大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，最后從排出管排出。

工作離心泵為射流泵提供高速工作流體，其選型應(yīng)以射流泵的工藝參數(shù)要求為依據(jù)，通過對(duì)射流泵裝置進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，可使其具有抽吸泥漿和長(zhǎng)距離輸送的功能。

2 射流泵數(shù)值模擬研究

2.1 射流泵設(shè)計(jì)

本文在國(guó)內(nèi)外對(duì)射流泵研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，用索科洛夫的噴射器理論進(jìn)行射流泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。射流泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括射流泵噴嘴與喉管面積比、喉嘴距、混合段長(zhǎng)度等，其主要工作參數(shù)為出口壓力和工作流體壓力等。本文主要考察噴嘴出口與喉管面積比對(duì)射流泵性能的影響，三個(gè)射流泵模型的噴嘴出口直徑均為6mm，喉管直徑分別為10mm/12mm/15mm，噴嘴喉管面積比分別為2.78/4.00/6.25。

2.2 射流泵結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

2.2.1 研究方法

本文用GAMBIT軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，采用FLUENT作為求解器，采用軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)體，k-ε湍流模型，工作流體和引射流體入口采用壓力入口邊界，混合流體出口采用壓力出口邊界。

2.2.2 模擬結(jié)果分析

（1）壓力分析

計(jì)算結(jié)果表明，工作流體經(jīng)過縮放噴嘴加速后壓力降低，在噴嘴出口處產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，且負(fù)壓值低于被引射流體的吸程，可對(duì)引射流體產(chǎn)生卷吸作用。喉管直徑越小，噴嘴處的負(fù)壓值越低。在喉管和擴(kuò)散管中混合流體壓力逐漸升高，出口管中壓力值穩(wěn)定。當(dāng)噴嘴直徑相同時(shí)，喉管直徑越大，吼管內(nèi)壓力升高越快。

（2）流速分析

射流泵內(nèi)部的速度分布見圖2，從圖中可以看出工作流體經(jīng)過噴嘴噴出后形成高速射流，在壓力差的作用下，高速射流與低速引射流體發(fā)生混合和動(dòng)量交換，在混合室中混合流體得到充分發(fā)展，兩種流體速度漸趨一致，在喉管中基本完成混合過程，喉管直徑越大，混合越充分。射流泵中速度最大值隨著喉管直徑增大而減小。

（1）喉管直徑10mm

（2）喉管直徑12mm

（3）喉管直徑15mm

圖2 速度分布圖

（3） 流量分析

表1為各個(gè)射流泵噴嘴、吸入口及出口流量，從表中可以看出喉管直徑增大，吸入口流量及流量比均減小，但是變化不大。

綜合上述分析，由于三種結(jié)構(gòu)的射流泵吸入口流量差別不大，但是射流泵3的流速最大值較小，為了防止射流泵內(nèi)出現(xiàn)空化，射流泵3為最佳選擇。

2.3 工作流體壓力計(jì)算

為了確定射流泵噴嘴入口壓頭，為其選擇配套的工作離心泵，本文模擬了射流泵3在噴嘴入口壓力分別為80m、100m和120m液柱時(shí)的流場(chǎng)。

表2為三種噴嘴入口壓力下的射流泵進(jìn)出口流量，從表中可以看出，噴嘴入口壓力為100m液柱時(shí)吸入口流量和流量比均最佳，但是當(dāng)噴嘴入口壓力為120m液柱時(shí)，噴嘴流速最大值接近空化速度。所以，噴嘴入口壓力為100m時(shí)該射流泵的引射效果最好。

3 結(jié)論

本文研究了用于大型放射性廢液貯槽倒空的系統(tǒng)裝置，用索科洛夫理論設(shè)計(jì)了該裝置的關(guān)鍵設(shè)備射流泵，用CFD方法模擬了不同結(jié)構(gòu)射流泵在設(shè)計(jì)操作參數(shù)下的流場(chǎng)分布，通過壓力、流速和流量分析可知設(shè)計(jì)的射流泵可滿足含泥漿廢液提取要求，喉管直徑為15mm的噴射泵在噴嘴壓頭為100m液柱高度時(shí)引射比最佳，與其配套工作離心泵的額定壓頭應(yīng)為75m液柱高度。建議后續(xù)繼續(xù)采用數(shù)值模擬的方法對(duì)射流泵水力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，并采用試驗(yàn)方法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從而提高設(shè)計(jì)的可靠性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]索科洛夫.噴射器，科學(xué)出版社，1977，155-226.

[2]沈衛(wèi)海.離心-射流泵裝置的研制，通用機(jī)械，2003，第6卷：設(shè)計(jì)與開發(fā)欄目.

[3]李棟.煤礦俯孔排水排渣射流泵優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究，重慶：重慶大學(xué)，2012：5-24.

[4]于鳳榮.射流泵流場(chǎng)三維數(shù)值模擬，水泵技術(shù)，2006，第6期：21-23.

[5]陸宏圻.噴射技術(shù)理論及應(yīng)用，武漢大學(xué)出版社，2004，56-268.endprint