喉管長度對環(huán)形射流泵性能和效率的影響

喉管長度對環(huán)形射流泵性能和效率的影響

射流泵是利用射流剪切和紊亂流的擴散作用傳達能量的液體機械和混合反應(yīng)設(shè)備。它主要由噴嘴、吸入管、喉嚨管和擴散管組成。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作穩(wěn)定，密封好，成本低。射流泵可根據(jù)噴嘴和吸入管的位置分為兩種：中央射流泵和圓形射流泵。中央射流泵的噴嘴位于中間，吸入管圍繞噴嘴的外端。環(huán)形光束相反，位于中間的光束輸出泵，噴嘴圍繞著管道的外端。如圖1所示，兩種光束輸出的內(nèi)部流動存在一些差異。中央光束輸出后，吸流閥周圍是被吸流閥包圍的。由于光束輸出的外部開口，壁面被限制，射流的擴張受到管道的限制。然而，在環(huán)形射流輸出流之后，外側(cè)是管壁，射流的擴張受到壁面的限制。這是側(cè)面的。其運動發(fā)展與中央射流泵有一定的不同。國內(nèi)外學(xué)者對中心射流泵作了大量的理論和試驗研究,而對環(huán)形射流泵的研究較少.Elger等測量了不同面積比環(huán)形射流泵的回流區(qū)大小和發(fā)生位置,并引入無因次參數(shù)J描述回流區(qū)的大小;Namiki等用數(shù)值方法模擬了環(huán)形射流泵的性能,表明RSM模型比標準k-ε模型更加準確;Gazzar等應(yīng)用CFX-TASC模擬了環(huán)形射流泵的性能和內(nèi)部流動.Shimizu等試驗研究了環(huán)形射流泵結(jié)構(gòu)對其性能的影響,比較了射流有旋和無旋的異同,并初步研究了環(huán)形射流泵的空化性能.劉暉霞對環(huán)形射流泵空化問題進行了研究.但是上述對環(huán)形射流泵的內(nèi)部流動機理與結(jié)構(gòu)研究不夠系統(tǒng),特別是喉管長度對環(huán)形射流泵性能影響的研究不夠深入.文中擬應(yīng)用Fluent軟件,采用Realizablek-ε紊流模型對環(huán)形射流泵內(nèi)部流場和性能進行數(shù)值模擬,在此基礎(chǔ)上,分別計算不同喉管長度下環(huán)形射流泵的內(nèi)部流場,以效率最高為原則,確定出常用范圍內(nèi)環(huán)形射流泵的最優(yōu)喉管長度,為環(huán)形射流泵的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù).1計算值的方法1.1射流場建模方法文中射流泵內(nèi)部流場考慮為定常不可壓流動,由于結(jié)構(gòu)上是軸對稱的,可簡化為軸對稱流動.Realizablek-ε模型基于標準k-ε模型,滿足了在雷諾壓力上的特定數(shù)學(xué)約束,與物理紊流流動一致,對圓形射流的擴展率預(yù)測得更加精確.因此,筆者采用Realizablek-ε模型.鑒于射流泵流場并不復(fù)雜,采用一階迎風(fēng)格式和SIMPLE算法.1.2維網(wǎng)格劃分射流泵內(nèi)部流動屬于高雷諾數(shù)的強剪切湍射流流動.在實際求解過程中,軸對稱流動只需求解一半?yún)^(qū)域.建立二維實體模型并對其進行網(wǎng)格劃分,并根據(jù)流動速度梯度和壓力梯度大小調(diào)節(jié)網(wǎng)格的疏密.在噴嘴出口到喉管入口區(qū)域,工作流體和被吸入流體開始混合,進行動量剪切和能量交換,存在較大的紊流剪切力,所以在這一區(qū)域的網(wǎng)格劃分比較密.1.3來流及來流邊界①進口邊界:考慮到計算域進口邊與噴嘴出口處距離較遠,可將來流設(shè)為均勻來流,來流速度方向與進口邊垂直;②出口邊界:設(shè)為壓力出口;③軸對稱邊界:各變量僅沿軸向發(fā)生變化;④固壁邊界:采用壁面函數(shù)法處理.2圓形射流泵性能值的模擬2.1vd2cdvvf環(huán)形射流泵的基本性能方程以一組無因次參數(shù)(面積比、流量比和壓力比)表示,其定義如下:面積比R=AjAtR=AjAt,(1)流量比Μ=QsQjM=QsQj,(2)壓力比Ν=(Κk-Κp)vd22g+pdρg-vs22g-psρgΚvvj22g+pjρg-(Κk-Κp)vd22g-psρgN=(Kk?Kp)vd22g+pdρg?vs22g?psρgKvvj22g+pjρg?(Kk?Kp)vd22g?psρg,(3)效率η=MN,(4)其中Kv=1+∫D0/2(D0/2)-wv?rdr∫D0/2(D0/2)-wvzrdr∫D0/2(D0/2)?wv?rdr∫D0/2(D0/2)?wvzrdr2,(5)Κk=ρ2∫rw02π(v2z+v2?)vzrdr(ρ/2)v2d(Qj+Qs)Kk=ρ2∫rw02π(v2z+v2?)vzrdr(ρ/2)v2d(Qj+Qs),(6)Κp=∫rw02πvzr(ρ∫rwrv2?rdr)dr(ρ/2)v2d(Qj+Qs),(7)式中Aj,At分別為環(huán)形噴嘴面積和喉管的面積;D0為出口管道直徑;vz,v?分別為軸向速度和圓周速度;Kv,Kk,Kp分別為速度修正系數(shù)、動能修正系數(shù)和壓力修正系數(shù);r,rw分別為管道半徑和環(huán)形噴嘴半徑;w為環(huán)形噴嘴厚度;Q為流量;p為壓力;g為重力加速度;ρ為密度.下標j,s,d分別表示射流、被吸流和混合流;t表示喉管.由于計算域簡化為二維軸對稱,故不存在圓周速度,即v?=0.2.2流場模擬結(jié)果為和試驗結(jié)果進行對比,文中引用文獻中的環(huán)形射流泵結(jié)構(gòu)尺寸進行數(shù)值計算,取環(huán)形噴嘴和喉管的面積比R=0.57,吸入室收縮角α=18°,吸入室和喉管總長L=233mm,喉管直徑Dt=38mm,出口管道直徑D0=55mm和喉管長度與喉管直徑之比Lt/Dt=4.72.先進行流場的模擬計算,再將計算結(jié)果根據(jù)上述公式進行整理得到射流泵的性能及效率曲線,如圖2所示.由圖2可以看出,計算結(jié)果和試驗結(jié)果吻合較好,表明應(yīng)用Realizablek-ε模型進行數(shù)值計算分析射流泵內(nèi)部流場并預(yù)測其性能和效率是可靠的.3u3000t/dt的計算為分析喉管長度對環(huán)形射流泵性能和流場的影響,采用上述射流泵模型進行計算.計算時保持其他參數(shù)不變,Dt=38mm,R=0.57,分別取Lt=179.4,165.0,137.5,110.0,102.3,82.5,55.0mm,即Lt/Dt=4.72,4.34,3.62,2.89,2.69,2.17,1.45.3.1壓力比和效率圖3為環(huán)形射流泵在不同喉管長度下的壓力比和效率特性曲線.由于泵的高效運行區(qū)域是在流量比較大位置,故圖3僅給出了流量比在0.3～0.6的各參數(shù)分布情況.由圖3可以看出,當(dāng)Lt/Dt=1.45時,壓力比和效率明顯偏低;Lt/Dt在2.17～2.89時壓力比和效率有一個最大值,當(dāng)Lt/Dt=2.69時,效率達到35.6%;Lt/Dt在2.89～3.62時,壓力比和效率變化不明顯;而當(dāng)Lt/Dt>3.62時,壓力比和效率又有所下降,但降幅不大.Shimizu等試驗也顯示當(dāng)Lt/Dt=2.69(即Lt/D0=1.86)時泵的效率最高.由此可見,喉管長度的高效范圍可以定為Lt/Dt=2.17～2.89,以Lt/Dt=2.69為最高效率對應(yīng)的喉管長度.Fig.3N-Mandη-Mcurvesatdifferentthroatlengths3.2喉管和擴散管速度分布圖4為當(dāng)流量比M=0.594時環(huán)形射流泵在不同喉管長度Lt/Dt=1.45,2.69,3.62和4.72下的喉管和擴散管出口處的軸向速度剖面.由圖4a可以看出,在喉管內(nèi)射流向中心擴展.隨著Lt/Dt變大,喉管內(nèi)射流擴展的程度越深.當(dāng)喉管長度為(3.62～4.72)Dt時,射流擴展到中心位置.由圖4b可以看出,喉管越長,擴散管中的射流混合越好.圖5為當(dāng)流量比M=0.594時在上述4種喉管長度下的環(huán)形射流泵喉管和擴散管中的速度云圖.由圖5可以看出,不同喉管長度下喉管和擴散管中的速度分布趨勢是一致的.在喉管內(nèi)高速射流和被吸流體速度梯度較大,兩股流體混合程度較低,射流擴展和混合一直延伸到擴散管內(nèi),這與中心射流泵存在著較大不同.由于環(huán)形射流是單邊擴展,在喉管邊壁上的射流速度較高,隨著喉管變長,射流在喉管內(nèi)的沿程損失越大.因此,盡管喉管越長,喉管與擴散管中的射流混合越理想,但是當(dāng)喉管過長時,其能量損失也越大,環(huán)形射流泵效率將降低.圖6為當(dāng)流量比M=0.594時環(huán)形射流泵在上述4種喉管長度下吸入室、喉管和擴散管的壁面壓力分布.其中壓力分布用壓力系數(shù)Cp表示,Cp=px-psov2j,(8)式中p為壓力;v為速度.下標j表示射流;x表示軸向位置;so表示中心吸嘴.由圖6可以看出,Lt/Dt增大時對喉管吸入室的壁面壓力幾乎沒有影響,而喉管和擴散管的邊壁壓力分布趨勢也基本相同.當(dāng)Lt/Dt=1.45時,喉管與擴散管之間的壓力降比其他幾組工況稍大,擴散管出口壓力回升也稍低.環(huán)形射流泵和中心射流泵的喉管壁面壓力存在很大的區(qū)別.在中心射流泵喉管內(nèi),被吸流體環(huán)繞于高速射流,兩股流體發(fā)生剪切混合,中心射流不斷將能量傳遞給被吸流體,壁面壓力不斷升高,兩股流體混合均勻后進入擴散管.而在環(huán)形射流泵喉管內(nèi),由于射流貼壁,壁面壓力幾乎保持不變.當(dāng)射流進入擴散管后,在射流擴展和擴散管增壓的共同作用下,壁面壓力迅速升高.由此可見,環(huán)形射流泵的高速射流受壁面影響,貼壁速度梯度變化緩慢,壁面壓力幾乎沒有變化;在擴散管內(nèi),環(huán)形射流因擴壓作用,速度明顯下降,兩股流體迅速混合,速度分布隨之趨于均勻,壁面壓力逐步上升.4喉管長度對環(huán)形射流泵流場利用Fluent軟件對環(huán)形射流泵內(nèi)部流動進行了數(shù)值計算,并對計算的可靠性進行了驗證.在此基礎(chǔ)上比較了環(huán)形射流泵在不同喉管長度下的N-M和η-M曲線,并分析了喉管長度對環(huán)形射流泵流場的影響.結(jié)果表明,在環(huán)形射流泵高效流量比區(qū)域內(nèi),喉管長度對其性能和效率均有一定的影響,壓力比受喉管長度的影響在各流量比工況下變化不大