吸入管出口位置及直徑對環(huán)形射流泵影響的數(shù)值模擬

李同卓，楊志朋

吸入管出口位置及直徑對環(huán)形射流泵影響的數(shù)值模擬

李同卓，楊志朋

（河南理工大學 機械與動力工程學院，河南 焦作 454000）

射流泵；數(shù)值模擬；吸入管；結構優(yōu)化

0 引 言

【研究意義】射流泵是一種利用2股或多股流體紊流擴散從而進行質量與能量交換及傳遞的特色流體機械，其工作原理為高速流體通過射流對低速流體進行抽吸混合。此設備主要特點為無運動部件，在實際應用中有著結構簡單、便于安裝維護、可靠性高等優(yōu)點，主要由噴嘴、吸入管、吸入室、喉管和擴散管構成。射流泵分為中心射流泵和環(huán)形射流泵2種，其主要區(qū)別在于噴嘴和吸入管所處位置。其中，中心射流泵噴嘴多處于其中心軸線上，吸入管在其一側或二側；環(huán)形射流泵則與之相反，吸入管位于射流泵中心軸線上，噴嘴環(huán)繞在吸入管附近。由于中心射流泵提出較早，因此國內外學者對中心射流泵研究較多[1-3]，針對環(huán)形射流泵研究偏少。此外，環(huán)形射流泵在果物及魚類輸送方面具有損傷小、存活率高等特點。因此，提高環(huán)形射流泵效率以降低工業(yè)生產(chǎn)成本及增大輸送效率具有重要意義。

【研究進展】Shimizu等[4]通過大量實驗對環(huán)形射流泵進行了結構方面的優(yōu)化，并驗證了環(huán)形射流泵最高效率可達到36%；Elger等[5]通過實驗驗證了環(huán)形射流泵內部的回流現(xiàn)象，并對回流區(qū)域及影響因素進行了分析；Kwon等[6]通過數(shù)值模擬探究吸入室形狀對環(huán)形射流泵效率和內部流場的影響，并發(fā)現(xiàn)在小流量比情況下會產(chǎn)生回流；Yamazaki等[7]研究發(fā)現(xiàn)射流泵內部流體摩擦阻力系數(shù)與表面粗糙度呈正比；Yadav等[8]對環(huán)形射流泵中幾何結構變化引起的被吸流體吸入效率影響進行研究，發(fā)現(xiàn)較長的喉管會減小空化現(xiàn)象從而增大被吸流體流量。目前針對射流泵的研究主要還是以提高效率為主，許多學者從喉管長度[9]、噴嘴位置[10]、吸入室收縮角[11]等多方面對射流泵進行結構方面的優(yōu)化。高全杰等[12]將環(huán)形射流泵與自激振蕩射流相結合，研究不同流量比下射流泵的性能和效率，指出最大效率相較于普通射流泵提高了2%。此外，針對環(huán)形射流泵更方便運送固體顆粒，尤其是較大固體顆?；蚴遣灰?guī)則固體顆粒，不少學者進行了對其進行實驗探究[13-15]。

【切入點】目前對環(huán)形射流泵中對其他部分結構研究較多，但對吸入管結構研究較少，特別是針對吸入管出口位置和直徑對環(huán)形射流泵性能影響的研究不夠具體。

【擬解決的關鍵問題】文章擬通過FLUENT軟件對環(huán)形射流泵進行CFD數(shù)值模擬預測泵的性能，以吸入管出口與喉管入口之間的間距以及吸入管直徑為主要研究因子（圖1），分別對不同條件下環(huán)形射流泵的內部流場進行模擬，分析2個研究因子對射流泵效率以及內部流場的影響，為環(huán)形射流泵之后的結構設計以及有關優(yōu)化提供參考。

1 模型建立及驗證

1.1 計算模型

文中工作流體及被吸流體均為普通液態(tài)水，因此設置流動為定常不可壓縮流動。湍流模型選擇上，Realizable模型相較于其他湍流模型，對紊流流動的計算更加準確，同時也可獲得更精確的內部流場細節(jié)[16]。因此，模擬中采用Realizable模型。控制方程為N-S方程，通過SIMPLEC算法進行速度和壓力耦合計算，相較于SIMPLE算法，可獲得更快收斂以及更為精確的計算結果。離散格式為二階迎風格式。

1.2 計算域網(wǎng)格劃分

環(huán)形射流泵內部流動區(qū)域為有限空間流動，且其結構為軸對稱結構，因此在模型構建中可將其簡化為二維軸對稱模型，只需對其上半部分區(qū)域進行求解。通過ANSYS中ICEM軟件對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格為四面體單元網(wǎng)格。在實際網(wǎng)格劃分中，由于工作流體由噴嘴射出后與被吸流體在吸入室以及喉管內部混合，此處區(qū)域動量剪切和能量交換較為劇烈，因此對該區(qū)域網(wǎng)格劃分過程中進行加密處理，以保證計算結果的準確性。在模型的繪制中，為使計算模型更加符合實際流動情況，以噴嘴出口所在平面為計算原點，沿逆流方向進行延長，長度經(jīng)試算選擇為5倍吸入管直徑，射流泵出口處水平段長度選擇為8倍出口直徑，以保證符合實際情況及計算準確性，計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型結構示意圖及網(wǎng)格模型

在網(wǎng)格劃分時分別選取網(wǎng)格數(shù)量為3.3×104、8.7×104、2.3×105共3種網(wǎng)格，由表1可以看出，網(wǎng)格數(shù)量為3.3×104時，其模擬結果與另外2種網(wǎng)格模擬結果相對誤差較大，網(wǎng)格數(shù)量為8.7×104、2.3×105的2種網(wǎng)格模擬結果相對誤差在1%以內，結果較為接近。所以綜合模擬精度以及模擬計算時間2方面考慮，最終選擇網(wǎng)格數(shù)量為8.7×104個的網(wǎng)格進行計算。

表1 網(wǎng)格無關性驗證

1.3 邊界條件

①進口邊界：工作流體與被吸流體入口均設置為速度進口，且設置來流為均勻來流；②出口邊界：設置為壓力出口；③對稱軸邊界：各變量僅隨軸線發(fā)生變化；④壁面：采用壁面函數(shù)法處理。

1.4 模擬可靠性驗證

為了對模擬結果進行可靠性驗證，文中采用Shimizu試驗所使用的環(huán)形射流泵[4]結構參數(shù)進行模擬，具體參數(shù)為噴嘴面積與喉管面積之比為0.57，吸入室收縮段處收縮角為18°，喉管長115 mm，喉管直徑為43 mm，擴散管擴散角度為6°，出口直徑為55 mm，根據(jù)以上參數(shù)對環(huán)形射流泵進行二維建模與數(shù)值模擬。表2為數(shù)值模擬中不同流量比下所對應的壓力比及效率值。

表2 模擬結果中各點具體數(shù)值

圖2為模擬數(shù)據(jù)與試驗結果對比圖。如圖2所示，模擬結果中射流泵效率在大流量比條件下與試驗結果非常接近，在低流量比時存在部分誤差，整體結果與試驗結果吻合較好，表明在此模型下通過數(shù)值模擬對環(huán)形射流泵進行效率和內部流場分析結果是可靠的。

圖2 環(huán)形射流泵性能對比

2 結果與分析

2.1 吸入管出口位置對射流泵影響

為分析吸入管出口位置對環(huán)形射流泵效率的影響，在不改變其他參數(shù)的前提下，使用上述模型進行模擬計算。其中，吸入管出口位置與喉管入口之間間距分別為21、23、25、27、29 mm。

圖3為在5種吸入管出口位置下所對應的效率曲線，考慮到泵的實際工況，僅繪制流量比為0.1～0.6時所對應的性能分布情況。

圖3 吸入管出口位置對射流泵性能影響

由圖3可看出，當流量比較大時，射流泵在=25 mm以及=27 mm時明顯效率較高，在=27 mm時取得最高效率36.1%，其中當=25 mm時，吸入管道出口與吸入室入口位于同一平面；當流量比較小時，射流泵在=29 mm處取得較高效率。由此可見，當=23 mm以及=21 mm時效率偏低；=29 mm時在大流量比情況下效率較低。分析前者是因為吸入管過于深入吸入室收縮段，引起工作流體出口變狹窄，造成部分能量損失；后者是因為2股流體部分在吸入室收縮段之外提前混合，引起能量損失導致效率偏低。

圖4為當流量比為0.559時，射流泵吸入管出口在不同位置時對應的喉管進口及出口軸向速度剖面。其中V為噴嘴進口速度。由圖4（a）可以看出，隨著吸入管出口與喉管入口之間的距離增大，其近壁面速度逐漸減小。圖4（b）可以看出，射流在喉管內由邊界向中心擴展，吸入管出口距喉管入口越遠，喉管中心流速越大，這也意味著喉管內2股流體混合程度越好。

圖5為當流量比為0.559時，上述不同吸入管出口位置下環(huán)形射流泵喉管部分和擴散管部分的內部流場速度云圖。由圖5可以看出，當吸入管出口位置距喉管入口較小時，由于工作流體近壁面速度較快，導致其核心射流破壞程度較慢，與被吸流體速度梯度較大，可以看到2股流體在擴散管處仍存在明顯的速度分界層，隨著出口位置距喉管入口距離不斷增大，2股流體間混合程度也不斷增大，但工作流體出口處速度也越低。因此，盡管間距的增加會使2股流體在喉管內混合更為理想，但過大間距會導致2股流體在吸入室內提前混合，從而導致工作流體速度降低，造成部分能量損失，從而導致效率降低。

圖5 不同吸入管出口位置速度云圖

圖6為射流泵吸入室部分及喉管前段內部流場流動跡線圖。由圖6可看出，隨著距離的不斷增加，在喉管處形成的回流（或渦旋）大小逐漸減小，直至當=29mm時，喉管內回流基本消失，回流的大小意味著2股流體在接觸處的動量交換以及剪切力大小的強弱，這也可以從流體流動方向上解釋，隨著距離的減小，工作流體的出口截面積也在不斷減小，但出口處速度也在不斷升高，一定程度上可提高環(huán)形射流泵的抽吸能力。

圖6 射流泵內部流場速度跡線

2.2 吸入管直徑對射流泵影響

為分析吸入管直徑對射流泵性能影響，采用前文射流泵模型進行計算，模擬時保持其他參數(shù)不變，僅對射流泵吸入管直徑進行改變，分別取直徑=31、35、39、43、47 mm。

圖7為環(huán)形射流泵在5種吸入管直徑下不同流量比時的效率曲線，同上，考慮到泵的實際工況，本文僅展示流量比為0.1～0.6的范圍下泵的性能曲線。

由圖7可看出，隨著吸入管直徑不斷減小，泵的效率整體呈降低趨勢。其中，在低流量比區(qū)域，泵的效率降低并不明顯，隨著流量比增大，效率差距越發(fā)顯著。另外，泵的效率最高點位置也在變化，隨著泵的吸入管直徑不斷減小，泵的效率最高點也在不斷地左移。由此可見，在不改變其他任何參量（包括工作流體進口截面積）條件下，從效率方面考慮，泵的吸入管直徑應越大越好，若選取較小直徑，應使其工作在低流量比區(qū)域以減小其效率損失。

圖7 不同吸入管直徑的性能曲線

3 討 論

目前在環(huán)形射流泵結構的研究中，針對喉管長度[9]、面積比[15]、吸入室角度[17]及擴散管角度[11]等部分的研究已有很多，對于吸入管結構對環(huán)形射流泵的影響研究較少。確定合適的吸入管參數(shù)[3]有助于改善內流場流態(tài)、增強兩相流體混合程度，提高射流泵效率。本文對吸入管不同出口位置及直徑下對環(huán)形射流泵性能影響進行了系統(tǒng)性研究，并通過選取最佳參數(shù)實現(xiàn)性能上的優(yōu)化。在整體的分析思路上，參考龍新平等[2,9]、曾慶龍等[11]對環(huán)形射流泵結構優(yōu)化的方法，且與之相比，本文對于吸入管對射流泵內流場的影響研究更為全面，分析并給出了本模型下吸入管各參數(shù)的最優(yōu)取值范圍。

從環(huán)形射流泵效率上分析：流量比較小時，出口位置距喉管入口較遠可擁有較高的效率，結合圖6不同吸入管出口位置云圖可看出，隨著吸入管出口與喉管入口之間間距的縮短，其工作流體的近壁面流速不斷升高，擴散速度也隨之降低，但在低流量比的條件下，由于被吸流體本身流速偏低，因此，2股流體能夠較為快速且均勻的混合，工作流體流速越高，其核心射流瓦解及向外擴散越為緩慢，因此2股流體在喉管中混合所需時間較長，此外，工作流體的高流速所產(chǎn)生的2股流體更強的速度剪切也帶來了更多的能量損耗，導致了效率的降低；流量比較大時，一方面，隨著二者間距的不斷縮短，其工作流體的出口截面積不斷減小，且核心射流瓦解速率的降低不利于2股流體之間的混合，另一方面，被吸流體流速增加，2股流體動量交換更為強烈，在喉管外的過多接觸帶來了更多的能量損失，在結構中表現(xiàn)為吸入管出口應靠近喉管入口，在二方面的作用下，射流泵效率在間距為中間值時取得了最高值，在本模型中間距為27 mm。從射流泵內部流場進行分析，在高流量比的條件下，間距的縮短導致喉管中線附近的流體流速降低，這也意味著2股流體混合較差，但泵內回流區(qū)域不斷增強，一定程度上表明可提高射流泵的抽吸能力。吸入管直徑大小的變化對射流泵效率的影響較為明顯，隨著直徑的減小，效率也在逐漸降低，且最高效率點所對應的流量比也在不斷減小。

本文的研究僅針對一種射流泵結構模型下吸入管的變化對其的影響進行分析，且研究中流量比的間隔跨度較大，吸入管結構的變化較少，且均為等規(guī)律選取，因此本論文中對于模擬結果的總結仍需進一步確認，例如，出口位置對效率的影響是否總是一成不變，在其他面積比或流量比相同但工作流體出口速度不同的條件下是否仍保持規(guī)律性變化，不同吸入管直徑所對應的最高效率點大小和位置能否用公式進行規(guī)律性總結，上述內容是需要進一步研究的重點。

4 結 論

吸入管出口位置方面，流量比為0.1～0.3時，可選擇出口位置與吸入室收縮段入口保持一定距離以提高效率，流量比為0.4～0.6時，應使其靠近吸入室收縮段入口，在此模型下2 mm為最優(yōu)，吸入管出口距喉管入口距離越大，2股流體在喉管中混合效果越好，但過大間距會導致能量損失較高。

吸入管直徑方面，在不改變其他參量條件下，射流泵的效率隨著直徑的增大而增大；且泵的最高效率點所對應的流量比會隨著吸入管直徑增大而變高，若選用較小直徑，應確定其最高效率點所對應的流量比，以減小效率損失。

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Numerically Simulating the Influence of Outlet Position and Diameter of Suction Pipe on Annular Jet Pump

LI Tongzhuo, YANG Zhipeng

(School of Mechanical and Power Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

jet pump; numerical simulation; the suction pipe; structure optimization

李同卓, 楊志朋. 吸入管出口位置及直徑對環(huán)形射流泵影響的數(shù)值模擬[J]. 灌溉排水學報, 2022, 41(3): 63-68.

LI Tongzhuo, YANG Zhipeng. Numerically Simulating the Influence of Outlet Position and Diameter of Suction Pipe on Annular Jet Pump[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 63-68.

2021-09-09

國家自然科學基金項目（51774115）；河南理工大學動力工程及熱物理學科基金資助項目（722403/020）

李同卓（1964-），男，山西翼城人。副教授，博士，主要從事射流技術及流場分析方面的研究。E-mail: kxwc@163.com

1672 - 3317（2022）03 - 0063 - 06

S277.9

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021434

責任編輯：韓 洋