清淤射流泵流場數(shù)值模擬及其參數(shù)對性能影響分析

倪其軍 ， 阮文權(quán)

（1.江南大學(xué)，江蘇 無錫 214122；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

0 引 言

清淤噴射泵是安裝在清淤船上用來清除河流底部淤泥的關(guān)鍵裝置，其性能直接影響清淤的效果和效率。目前，不管是絞吸式、耙吸式還是其他一些水下吸泥裝置均依靠進口處的低壓吸入淤泥，因此其吸泥能力以及對淤泥的攪拌能力受到了進口速度的限制，通常需要特定的旋轉(zhuǎn)盤或者高速射流來輔助增加進口速度，以用來將淤泥沖刷掉。噴射泵結(jié)構(gòu)參數(shù)以及內(nèi)部流體流動特性對其性能有直接影響，已成為該領(lǐng)域的研究重點[1-4]。

許多學(xué)者采用CFD技術(shù)研究噴射泵內(nèi)部流動特性，進而開展噴嘴旋轉(zhuǎn)葉片等設(shè)計。關(guān)玉慧等[5]利用CFD方法對單閉式、單半開式、雙半開式三種不同葉輪結(jié)構(gòu)的旋噴泵內(nèi)部流場進行三維數(shù)值模擬，得到三種模型的壓力場、速度場，分析了三種噴泵水力模型的性能特征，用于設(shè)計方案的優(yōu)選。陳寧等[6]基于CFD對不同工況下的葉輪葉片、流道等參數(shù)進行壓力、速度分析，得到以下結(jié)論：隨著葉片數(shù)的增加，在相同工況下，葉片表面的壓力分布逐漸均勻，葉輪內(nèi)液流流動相對流暢，水力損失降低；葉片數(shù)的增加，增加了液流與葉片之間的摩擦，使泵的效率降低。龍新平等[7]采用基于RANS的數(shù)值方法計算了不同擴散角下某型噴射泵的性能，對軸線速度、沿程壓力及擴散管進出口的動能與動量修正系數(shù)進行了計算與分析。從公開發(fā)表的文獻來看，目前研究的噴射泵主要集中于其他應(yīng)用領(lǐng)域，對污泥清淤泵的研究涉及較少。

文中清淤泵采用射流形式的吸頭，利用流體力學(xué)的Coanda效應(yīng)（沿切于壁面方向或者近于切向，向外噴射流體，流體將貼著其附近的固體壁面而流動），避免使用機械旋轉(zhuǎn)部件，可有效防止清淤過程中淤泥擴散對水體造成的二次污染。由于該泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其形式涉及多個參數(shù)，且直接影響射流泵的性能，因此本文采用基于RANS方程的CFD數(shù)值模擬方法對該清淤射流泵內(nèi)部流動特性進行了分析。首先介紹了清淤射流泵流場的數(shù)值模擬方法，之后針對三個射流泵方案，分別開展了不同進口壓力時射流泵流場數(shù)值模擬，獲得了射流泵的主要性能，給出了射流泵的流動機理，分析了噴口尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、進口壓力等關(guān)鍵參數(shù)對射流泵作業(yè)效能的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

采用RANS方程對清淤射流泵內(nèi)部的流場進行數(shù)值求解。不可壓縮流體連續(xù)方程與RANS方程為：

選擇RNGk-ε湍流模型，動量方程采用有限體積法（FVM）進行離散。對流項采用二階迎風(fēng)差分格式，擴散項采用中心差分格式。代數(shù)方程的求解使用的是Gauss-Seidel迭代方法。選用流場中經(jīng)典的SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations）算法處理壓力速度耦合問題。

1.2 計算對象及網(wǎng)格劃分

清淤射流泵是安裝在清淤船上用來清除河流底部淤泥的裝置。清淤射流泵結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計對其清淤效果至關(guān)重要。三維射流泵可以簡化成二維的軸對稱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中有2個間隙，分別為上噴口間隙和下噴口間隙，其直徑的大小是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵尺寸。

給定進口一個壓力值，水在高壓泵的作用下流向底部并從兩個狹小的間隙處噴出，下噴口的射流對淤泥進行擾動，并由上噴口射流的低壓及流速將淤泥漿吸入泵中心出口管道，最終從輸出口輸出淤泥，完成清淤的目的。由于淤泥這種介質(zhì)很難定義，在數(shù)值模擬過程中采用水來代替，文獻[8] 中射流泵清水池與淤泥水池試驗的結(jié)果表明：相同初始條件下射流泵在清水池中的進口流量和出口流量與淤泥水池中基本相同，驗證了這種替換的可行性。

清淤射流泵流場計算域如圖2所示。進行數(shù)值計算前需要對計算域劃分網(wǎng)格，而在劃分網(wǎng)格前，對計算域進行分塊可以有效地控制網(wǎng)格的質(zhì)量和網(wǎng)格數(shù)量，有利于生成相對正交的四邊形網(wǎng)格。圖3是網(wǎng)格劃分示意圖，整個區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)約為8萬。

圖1射流泵二維剖面示意圖Fig.1 Two-dimensional profile diagram of jet pump

圖2射流泵計算域Fig.2 The computational domain of jet pump

圖3射流泵網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 The mesh of jet pump

流場計算區(qū)域的進口設(shè)為高壓泵給定的壓力進口，輸出淤泥口設(shè)為壓力出口，給定靜壓大小。對稱軸設(shè)為軸對稱軸，河流底部設(shè)為物面無滑移條件。邊界1設(shè)為壓力進口，壓力與遠(yuǎn)方壓力相同，邊界2設(shè)為物面無滑移條件。用所有邊界條件的平均值來初始化整個流場。

2 計算方案及其結(jié)果分析

2.1 計算方案

為了研究清淤射流泵進口處壓力與出口流量大小之間的關(guān)系，以及射流泵噴口尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、流量大小、壓力等關(guān)鍵參數(shù)對作業(yè)效能的影響，分析不同射流泵方案的流場特征，文中選擇三個射流泵設(shè)計與作業(yè)方案（Case 1、Case 2和Case 3），分別開展不同進口壓力條件下的射流泵流場數(shù)值模擬，方案的主要尺寸見表1所示，參數(shù)的定義見圖4。三個方案，構(gòu)件2與底部的距離逐漸增加，出口半徑也逐漸增大，上噴口間隙Case 3與Case 1、Case 2不同，其他尺寸相同。

圖4射流泵參數(shù)定義Fig.4 Definition of jet pump parameters

表1三個方案主要參數(shù)尺寸Tab.1 Main parameter size of three cases of jet pump

2.2 計算結(jié)果及其分析

Cases 1～3不同進口壓力時各主要參數(shù)（流速和流量）的計算結(jié)果分別見表2~4。表中給出了下噴口流量Q下、上噴口流量Q上、出口總流量Q、底部剖面的速度Vh。對于清淤射流泵來說，由下噴口轉(zhuǎn)彎往上噴口方向去的速度越大，便越有利于污泥的清除，在淤泥與射流水介質(zhì)能充分混合的前提下，泵中心出口通道單位時間內(nèi)的流量（扣除上噴口流量）越大，清淤效率越高。為了分析射流泵的作業(yè)效能，文中定義了泥水流量Qh為出口總流量Q減去上噴口流量Q上（即下噴口流量及其對底部擾動后流出的流量），用QhVh（泥水流量與底部剖面速度的乘積）表征射流泵對底部沖刷的動量，定義射流泵的有效作業(yè)效率 η 為 ρQhVh/（P（Q下+Q上））。

表2 Case 1不同進口壓力時主要參數(shù)結(jié)果Tab.2 The main parameter results of Case 1 at different inlet pressures

表3 Case 2不同進口壓力時主要參數(shù)結(jié)果Tab.3 The main parameter results of Case 2 at different inlet pressures

表4 Case 3不同進口壓力時主要參數(shù)結(jié)果Tab.4 The main parameter results of Case 3 at different inlet pressures

圖5三個方案不同進口壓力時底部平均速度參數(shù)比較Fig.5 Comparison of bottom average velocity parameters of three cases at different inlet pressures

圖6三個方案不同進口壓力時的出口總流量參數(shù)比較Fig.6 Comparison of outlet flow rate parameters of three cases at different inlet pressures

圖7三個方案不同進口壓力時的下噴口、上噴口及泥水流量比較Fig.7 Comparison of spout and slush flow rate of three cases at different inlet pressures

圖8三個方案不同進口壓力時的QhVh和η比較Fig.8 QhVhand η for three cases at different inlet pressures

圖5給出了三個方案不同進口壓力時的底部剖面速度的參數(shù)比較，圖6給出了三個方案不同進口壓力時的出口總流量參數(shù)比較，圖7給出了三個方案不同進口壓力時的下噴口、上噴口及底部流量比較。圖8給出了三個方案不同進口壓力時的QhVh和射流泵的有效作業(yè)效率η的比較。從上述表和圖中可以看出：

（1）隨著進口壓力的增加，Cases 1～3底部平均流速逐漸增加，但增加的速率逐漸變?。ㄒ妶D5（b））。平均流速比較：Case 1>Case 2>Case 3，它們之間的相對值與進口壓力大小關(guān)系不大（見圖5（c））。

（2）隨著進口壓力的增加，Cases 1～3出口總流量也逐漸增加，Case 3增加的速率最大、Case 2次之、Case 1最小（見圖6）。相同壓力進口時，出口總流量Case 3>Case 2>Case 1。

（3）進口壓力相同時，下噴口（噴口間隙相同）流量與底泥距離h有關(guān)，h越大噴口流量越大；上噴口流量與出口半徑r有關(guān)；泥水流量Case 1

（4）QhVh為底部流量與底部平均速度的積，用于表征射流泵對底部沖刷的動量，從圖8可知Case 2要優(yōu)于Case 1和Case 3。有效作業(yè)效率η：Case 1>Case 2>Case 3，盡管Case 1的有效作業(yè)效率高，但其總流量及QhVh均相對較小。因此從工程應(yīng)用綜合來看，方案Case 2要優(yōu)于Case 1和Case 3。

圖9～11分別給出了Cases 1～3不同進口壓力時的速度云圖。從圖中可以看出：隨著進口壓力的增加，射流泵底部流動速度越大，對底泥的消減也越強，同時，也可看出射流泵外圍的速度極小，說明該射流泵對其外圍流場擾動很小。從Case 1到Case 3射流泵到底部距離h越來越大，底部流動速度越來越小，因此存在最佳底部距離h。若淤泥較硬，需提高下出口流速（增加壓力，減小下出口間隙），減小泵距底泥的距離（h），反之亦然。

圖9 Case 1不同進口壓力時的速度云圖Fig.9 The speed contours of Case 1 at different inlet pressures

圖10 Case 2不同進口壓力時的速度云圖Fig.10 The speed contours of Case 2 at different inlet pressures

圖11 Case 3不同進口壓力時的速度云圖Fig.11 The speed contours of Case 3 at different inlet pressures

圖12～14分別給出了Cases 1～3不同進口壓力時的流線圖。從圖中可以看出：

（1）同一個方案，不同進口壓力時的流線形式基本相同，表明清淤泵的結(jié)構(gòu)形式和尺寸確定后，流動特征與進口壓力關(guān)系不大；下噴口噴射出的射流沿著構(gòu)件2的弧線邊緣直接流進了出口腔，并與上噴口的射流匯合，整個過程沒有出現(xiàn)流動分離；

（2）Case 1下噴口射流帶動周圍底部流體流向出口腔，且在底部對稱軸附近出現(xiàn)大的渦流（渦旋）。Case 2在底部對稱軸附近的渦旋與Case 1相比很小，Case 3基本消失。

圖12 Case 1不同進口壓力時的流線圖Fig.12 The flow lines of Case 1 at different inlet pressures

圖13 Case 2不同進口壓力時的流線圖Fig.13 The flow lines of Case 2 at different inlet pressures

（3）Case 3與Case 1和Case 2壓力腔內(nèi)的流線略有不同，Case 1和Case 2基本上沿著構(gòu)件2的折角處分別流向下噴口和上噴口，而Case 3則在構(gòu)件2折角下方出現(xiàn)分離，這使得折角上方出現(xiàn)了旋渦，從流線來看，Case 3構(gòu)件2腔內(nèi)的折角應(yīng)采用更大的弧度過渡。Case 1和Case 2與Case 3壓力腔內(nèi)的流線不同，其原因可能是由于它們的上噴口間隙大小不同引起的（Case 1和Case 2上噴口間隙為4.0 mm，Case 3為 2.0 mm）。

圖14 Case 3不同進口壓力時的流線圖Fig.14 The flow lines of Case 3 at different inlet pressures

（4）從腔內(nèi)流線可以看出，構(gòu)件2腔內(nèi)的折角形狀設(shè)計，其目的是使得腔內(nèi)流體在折角處分離后分別流向下噴口和上噴口。

從以上射流泵作業(yè)時的速度場與流場分析可知，噴口間隙、出口半徑、底部距離、構(gòu)件形狀等參數(shù)對清淤泵的性能有直接影響，以上參數(shù)的設(shè)計是清淤泵清淤效果和清淤效率的關(guān)鍵。

3 結(jié) 論

本文基于CFD方法對清淤射流泵作業(yè)時的流場進行了數(shù)值模擬，分析了清淤射流泵噴口間隙、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、出口半徑、進口壓力等參數(shù)與出口流量之間的關(guān)系，得到的主要結(jié)論如下：

（1）計算分析了清淤泵三個方案不同進口壓力時的流場，獲得了不同進口壓力與出口平均流速之間的關(guān)系。對于相同的淤泥河底，可用QhVh（底部流量與平均速度的乘積）來評價最佳射流泵及作業(yè)距離h。

（2）清淤泵流場分析表明：清淤泵的結(jié)構(gòu)形式和尺寸確定后，流動特征與進口壓力關(guān)系不大；清淤泵流動機理如下：下噴口噴射出的射流沿著構(gòu)件2的弧線邊緣直接流進了出口腔，并與上噴口的射流匯合，整個過程沒有出現(xiàn)流動分離；下噴口射流帶動泵底部流體流向出口腔，且對泵外圍流場的擾動很小；構(gòu)件2的折角形狀的設(shè)計，其目的是使得腔內(nèi)流體在折角處分離后分別流向下噴口和上噴口。

（3）內(nèi)流場數(shù)值模擬可以幫助泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，如構(gòu)件的折角需更大半徑r過渡，消除旋渦，減小能量損失；外流場數(shù)值模擬可以幫助確定泵的作業(yè)距離h。

（4）清淤射流泵的最佳方案，不但取決于泵自身的設(shè)計參數(shù)，尚取決于作業(yè)狀態(tài)（泵與底泥的距離h），數(shù)值模擬便成為設(shè)計使用者不可缺少的助手。