不同吸入角度環(huán)形射流泵回流區(qū)域研究

肖龍洲，蔡標(biāo)華，胡 洋

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205）

0 引言

根據(jù)噴嘴與吸入管結(jié)構(gòu)形式，射流泵可分為中心射流泵［1-5］和環(huán)形射流泵［6-13］。環(huán)形射流泵的噴嘴包圍在被吸流體的外側(cè)成環(huán)狀，而吸入管則位于噴嘴中心，因此其被吸流體流道通暢，可以用于固體顆粒的輸送。

目前針對(duì)環(huán)形射流泵的性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化存在一定的研究。Shimizu等［14-15］針對(duì)25組不同的環(huán)形射流泵進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)環(huán)形射流泵性能的影響，并對(duì)環(huán)形射流泵的空化性能進(jìn)行了研究。Elger等［16］研究了直通型環(huán)形射流泵面積比對(duì)回流區(qū)域的影響，并引入無(wú)因次參量動(dòng)量比來(lái)研究環(huán)形射流泵中回流的產(chǎn)生與消失。Xiao等［17］通過數(shù)值仿真方法歸納了直通型環(huán)形射流泵臨界動(dòng)量比和面積比的關(guān)系，可用于指導(dǎo)直通型環(huán)形射流泵設(shè)計(jì)。曾慶龍等［18］和Qiao等［19］將DOE和CFD方法相結(jié)合，對(duì)環(huán)形射流泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到了環(huán)形射流泵最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能曲線。Xiao等［20-22］通過高速攝影的方法對(duì)環(huán)形射流泵內(nèi)空化云及回流區(qū)域的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。

對(duì)于環(huán)形射流泵回流的影響因素較多，運(yùn)行工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)回流區(qū)域的形成、發(fā)展和消失都存在一定的影響。目前環(huán)形射流泵吸入角度與回流區(qū)域變化的關(guān)系研究較少。本文利用CFD方法對(duì)不同吸入角度的環(huán)形射流泵內(nèi)部流態(tài)進(jìn)行模擬仿真，分別研究流量比和吸入室角度對(duì)環(huán)形射流泵內(nèi)回流區(qū)域的影響，并進(jìn)一步對(duì)環(huán)形射流泵中回流消失的臨界狀態(tài)進(jìn)行分析。

1 環(huán)形射流泵結(jié)構(gòu)與流動(dòng)特性

1.1 環(huán)形射流泵結(jié)構(gòu)

環(huán)形射流泵結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要部件包括：環(huán)形噴嘴、錐形吸入管、吸入室、喉管、擴(kuò)散管及出口管。上游高壓工作流體經(jīng)過環(huán)形噴嘴轉(zhuǎn)化為高速環(huán)形射流。高速環(huán)形射流進(jìn)入吸入管后與包裹于中心的低壓被吸流體形成極大的徑向速度梯度，并產(chǎn)生對(duì)被吸流體的卷吸作用。在喉管中，兩股流體通過徑向的動(dòng)量傳遞實(shí)現(xiàn)摻混。混合后的高速工作介質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散管增壓，由出口管排出。環(huán)形射流泵結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸如下：出口管直徑D0=55 mm，吸入管出口直徑Ds0=43 mm，喉管直徑Dt=38 mm，吸入室角度α=18°，喉管長(zhǎng)度與喉管直徑比值Lt/Dt=2.69，擴(kuò)散管角度β=5.8°，面積比m=1.75（喉管截面積與環(huán)形噴嘴截面積之比），噴嘴厚度t =2 mm。

圖1 環(huán)形射流泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)［14］

1.2 環(huán)形射流泵結(jié)構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)特性

根據(jù)環(huán)形射流泵內(nèi)工作流體與被吸流體的流動(dòng)狀態(tài)，可將環(huán)形射流泵內(nèi)流動(dòng)劃分為4個(gè)區(qū)域（如圖2所示）：射流核心區(qū)A、過渡區(qū)B、回流區(qū)C和充分發(fā)展區(qū)D。射流核心區(qū)內(nèi)，射流核心向下游逐漸減弱，但流速核心始終存在；過渡區(qū)處于回流區(qū)域前，該區(qū)域內(nèi)，射流核心完全消失，此時(shí)在軸向存在一個(gè)較小的正壓梯度；回流區(qū)對(duì)應(yīng)流動(dòng)分離點(diǎn)和再附點(diǎn)對(duì)應(yīng)的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)明顯的回流；充分發(fā)展區(qū)位于再附點(diǎn)后，此時(shí)工作流體和被吸流體在經(jīng)歷回流并再附后再次摻混，徑向速度梯度減弱，兩股流體在喉管和擴(kuò)散管內(nèi)充分發(fā)展并摻混。4個(gè)區(qū)域并非固定不變，當(dāng)流量比變化時(shí)不同區(qū)域所處位置也會(huì)變化。當(dāng)流量比較小時(shí)，射流核心區(qū)和過渡區(qū)將在吸入室內(nèi)消失，而回流區(qū)大幅度擴(kuò)大，分離點(diǎn)會(huì)向上游移動(dòng)至吸入室內(nèi)，而再附點(diǎn)則有可能擴(kuò)展至喉管內(nèi)。當(dāng)流量比增大至臨界值時(shí)，回流區(qū)則會(huì)消失。

圖2 環(huán)形射流泵內(nèi)部流動(dòng)示意［20］

2 數(shù)值模擬方法

圖3示出計(jì)算域及網(wǎng)格示意，計(jì)算模型采用二維軸對(duì)稱模型。

圖3 計(jì)算域及網(wǎng)格示意

原點(diǎn)設(shè)置在噴嘴出口軸心線處。由前述分析可知，吸入室內(nèi)工作流體與被吸流體在徑向存在較大的速度梯度和劇烈的動(dòng)量交換，因此此處網(wǎng)格劃分更密。在繪制模型過程中，為保證進(jìn)出口流動(dòng)狀態(tài)更符合實(shí)際情況，計(jì)算域的進(jìn)出口分別向上游和下游擴(kuò)展3倍和10倍喉管直徑。紊流模型選用k-ε模型。工作流體入口與被吸流體入口的邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量入口，出口采用壓力出口邊界條件，中心軸設(shè)為軸對(duì)稱邊界，其它設(shè)為壁面。本文計(jì)算采用商業(yè)軟件FLUENT，時(shí)間步長(zhǎng)取為5×10-5s。壓力與速度耦合方式選SIMPLEC，動(dòng)量方程與湍動(dòng)能方程采用二階迎風(fēng)格式離散。

流量比q和效率η計(jì)算式如下：

式中 Qs——被吸流體流量；

Qj——工作流體流量；

Pd，Ps，Pj—— 環(huán)形射流泵出口、噴嘴及被吸管內(nèi)流體平均總壓。

射流泵效率η的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖4所示。從圖可見，2種不同密度的網(wǎng)格（5萬(wàn)網(wǎng)格和20萬(wàn)網(wǎng)格）得到的仿真結(jié)果十分接近，效率曲線偏差最大不超過1%。在流量比q=0～0.6的范圍內(nèi)，2種網(wǎng)格的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果十分吻合。因此本文中的數(shù)值模擬方法可以用于模擬環(huán)形射流泵內(nèi)部流動(dòng)狀況。

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

3 結(jié)果與分析

3.1 流量比對(duì)回流區(qū)域影響

圖5示出不同流量比下環(huán)形射流泵內(nèi)部回流區(qū)域比較（α=30°）。由圖可見，當(dāng)q =0.05時(shí)，在吸入室內(nèi)形成了巨大的回流區(qū)域。被吸流體在吸入管內(nèi)中心線處出現(xiàn)了流動(dòng)分離，直到喉管入口處回流消失且流動(dòng)再附。隨著q增大至0.15，流動(dòng)分離點(diǎn)迅速向下游移動(dòng)，而再附點(diǎn)則是緩慢的向上游移動(dòng)，并且回流區(qū)域也明顯減小。當(dāng)q繼續(xù)增大至0.23時(shí)，分離點(diǎn)進(jìn)一步向下游移動(dòng)，此時(shí)回流已十分微弱。當(dāng)q=0.25時(shí)，回流區(qū)域則完全消失。因此，在流量比增大的過程中，回流區(qū)域不斷減小，分離點(diǎn)和再附點(diǎn)不斷靠近。當(dāng)流量比達(dá)到某一臨界值時(shí)，回流消失。

圖5 不同流量比下環(huán)形射流泵內(nèi)部回流區(qū)域比較（α=30°）

3.2 吸入角度對(duì)回流區(qū)域影響

圖6 示出不同吸入角度環(huán)形射流泵性能比較。

圖6 不同吸入角度環(huán)形射流泵性能比較

不同的吸入角對(duì)環(huán)形射流泵性能存在一定的影響。當(dāng)吸入角α由10°增大至18°時(shí)，泵效率整體不斷提高達(dá)到最優(yōu)。此時(shí)繼續(xù)增大吸入角α，環(huán)形射流泵效率會(huì)出線明顯地下降，尤其在高效率區(qū)（0.5≤q≤0.8）。增大吸入角，局部結(jié)構(gòu)突變引起的損失會(huì)明顯降低泵效率。減小吸入角，則會(huì)延長(zhǎng)吸入室增加摩擦損失?？梢娢虢侵苯佑绊懕脙?nèi)部工作流體和被吸流體動(dòng)量的交換，進(jìn)而導(dǎo)致回流區(qū)域的變化。根據(jù)仿真結(jié)果18°吸入角對(duì)應(yīng)的環(huán)形射流泵效率最高。

圖7示出不同吸入角度環(huán)形射流泵回流區(qū)域位置分布。橫軸x/D0為軸向位置的無(wú)量綱表達(dá)形式。每一個(gè)吸入角度都對(duì)應(yīng)3條曲線，從左至右分別表示分離點(diǎn)、回流中心及再附點(diǎn)的位置。當(dāng)α=10°時(shí)，不同流量比下回流區(qū)域相對(duì)最大，主要表現(xiàn)為回流中心和再附點(diǎn)更靠近下游。當(dāng)q=0.05時(shí)，吸入角度越大分離點(diǎn)位置越靠近上游。然而當(dāng)q增大至0.15時(shí)，不同吸入角對(duì)應(yīng)的分離點(diǎn)移動(dòng)至吸入室內(nèi)同一位置。此時(shí)吸入角度越大，分離點(diǎn)在q增大的過程中向下游移動(dòng)的更快（除α=30°外）。吸入角度對(duì)回流中心和再附點(diǎn)位置也會(huì)產(chǎn)生較大影響。當(dāng)α由10°增大至18°時(shí)，回流中心和再附點(diǎn)會(huì)逐漸向上游移動(dòng)。然而當(dāng)q繼續(xù)增大至25°時(shí)回流中繼續(xù)向上游移動(dòng)而再附點(diǎn)卻開始向下游移動(dòng)。當(dāng)α=30°時(shí)，回流區(qū)域的變化規(guī)律與其他角度的環(huán)形射流泵存在較大差別。分離點(diǎn)和回流中心隨q的增大迅速向下游移動(dòng)，其回流消失的位置位于喉管內(nèi)。

圖7 不同吸入角度環(huán)形射流泵回流區(qū)域位置分布

吸入角度在一定程度上會(huì)抑制回流區(qū)域的發(fā)展。當(dāng)α=10°吸入室內(nèi)壁對(duì)回流區(qū)域影響相對(duì)較小，但逐漸增大α?xí)r，吸入室內(nèi)壁面對(duì)回流區(qū)域起到了一定的擠壓作用，加速了工作流體與被吸流體的動(dòng)量交換過程。當(dāng)α增大至30°至?xí)r，內(nèi)壁對(duì)回流區(qū)域的擠壓作用較大，而動(dòng)量交換過程又沒有及時(shí)完成，故導(dǎo)致回流區(qū)域部分進(jìn)入到喉管內(nèi)?？梢娺m當(dāng)優(yōu)化吸入角度可有效控制環(huán)形泵的回流區(qū)域。

3.3 臨界流量比

由前述分析可知，當(dāng)流量比增大至臨界值時(shí)，回流區(qū)域消失，分離點(diǎn)和再附點(diǎn)重合。該臨界狀態(tài)下環(huán)形射流泵運(yùn)行時(shí)的流量比則稱為臨界流量比qc，而臨界流量比也是設(shè)計(jì)環(huán)形射流泵的重要參數(shù)，是衡量環(huán)形射流泵回流特性的重要指標(biāo)。圖8所示為臨界流量比與吸入角度的關(guān)系曲線。由圖可知，當(dāng)α處于18°和25°之間時(shí)，臨界流量比存在極小值。此時(shí)回流發(fā)生對(duì)應(yīng)的流量比范圍最小，相比其他吸入角度，回流更難發(fā)生。由此可見，當(dāng)18°≤α≤25°時(shí)，吸入室內(nèi)壁對(duì)回流區(qū)域的抑制效果達(dá)到最佳，回流能夠在較小的臨界流量比下消失，環(huán)形射流泵的工作范圍得到有效拓寬。

圖8 臨界流量比與吸入角度關(guān)系

4 結(jié)論

（1）隨著流量比增加，回流尺寸不斷減小，分離點(diǎn)不斷遠(yuǎn)離噴嘴出口而再附點(diǎn)的位置幾乎沒有變化。

（2）回流區(qū)域會(huì)隨著流量比的增加而減小，當(dāng)流量比達(dá)到臨界流量比時(shí)回流區(qū)消失。

（3）吸入室內(nèi)壁對(duì)回流區(qū)域存在限制和擠壓作用，當(dāng)吸入式角度處于18°至25°之間時(shí)，吸入室對(duì)回流的限制作用最佳且臨界流量比最小，環(huán)形射流泵工作范圍有效拓寬。

（4）當(dāng)吸入室角度過大，回流會(huì)因吸入室內(nèi)壁擠壓而進(jìn)入喉管。