肖 頎，林原勝，魏志國(guó)，王俊榮，李少丹

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205；2.海裝廣州局，廣東 廣州 510310)

射流泵內(nèi)壓力分布研究

肖 頎1，林原勝2，魏志國(guó)1，王俊榮1，李少丹1

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205；2.海裝廣州局，廣東 廣州 510310)

本文采用 CFD 模擬了射流泵中的流動(dòng)情況，并對(duì)射流泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以抑制空化。采用不同湍流模型發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果類似，雷諾應(yīng)力模型相對(duì)來說與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更為相符。隨著流量比的增大，最低壓力點(diǎn)位置由噴嘴出口平直段銜接處向喉部銜接處轉(zhuǎn)移。隨后本文對(duì)這兩處位置進(jìn)行優(yōu)化，取消噴嘴出口平直段，采用漸縮噴嘴，模擬結(jié)果顯示該方案能有效消除噴嘴處的靜壓低壓區(qū)；對(duì)喉部銜接處進(jìn)行光順化處理能有效提高該處的最低靜壓值。本文的計(jì)算結(jié)果能為射流泵優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

射流泵；最低靜壓；CFD；空化

0 引 言

射流泵是一種利用高速流體帶動(dòng)周圍流體，并起一定混合作用的設(shè)備，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件、密封性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在核工程、制冷、石油開采、清洗、材料切割等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。由于射流泵中冷熱流體并存且壓力變化較大，當(dāng)局部壓力低于液體當(dāng)?shù)仫柡蛪毫r(shí)，會(huì)引發(fā)空化現(xiàn)象。對(duì)于特定領(lǐng)域，如材料切割、高壓清洗、巖石破碎和油井疏通等，需要利用和加強(qiáng)射流泵的空化氣蝕現(xiàn)象。而在艦船系統(tǒng)中，射流泵中發(fā)生的空化現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生明顯的噪聲和振動(dòng)、降低系統(tǒng)效率、造成氣蝕、進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)安全[4]。射流泵中的空化現(xiàn)象已經(jīng)成為制約其優(yōu)化設(shè)計(jì)的瓶頸，國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)射流泵中的流場(chǎng)、壓力場(chǎng)及空化規(guī)律展開了大量研究。

Pianthong 等[5]采用 CFD 方法研究了應(yīng)用于噴射制冷系統(tǒng)中的射流泵流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)三維模擬結(jié)果與軸對(duì)稱模擬結(jié)果相差不大，隨后研究了喉嘴距、喉管長(zhǎng)度和有效面積等因素對(duì)性能的影響，為射流泵的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。Fan 等[6]采用 CFD 對(duì)超音速射流泵內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行模擬，對(duì)比了不同湍流模型模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各種k-ε模型的預(yù)測(cè)結(jié)果非常接近，雷諾應(yīng)力模型盡管能稍微提高模擬精度，但計(jì)算量較大。隨后對(duì)射流泵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化，能顯著降低真空度，并將射流泵效率從 29% 提高到 33%，能耗降低了 20%。Bartosiewicz 等[7]對(duì)比了 6 種常見的湍流模型對(duì)超音速氣體射流泵的模擬精度，發(fā)現(xiàn) SSTk-ω精度最高，并發(fā)現(xiàn)在不同工況下 CFD 都能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)射流泵中流動(dòng)情況，但同時(shí)作者提出在其他工況下，射流泵的 CFD 模擬精度如何還需進(jìn)一步驗(yàn)證研究。梁愛國(guó)等[8]采用k-ε模型對(duì)射流泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，得到了面積比為 3.0～8.0 時(shí)射流泵最優(yōu)喉管長(zhǎng)度的相應(yīng)關(guān)聯(lián)式。龍新平等[9]采用 Realizablek-ε模型和空化模型模擬了面積比為 8.16 的射流泵內(nèi)不同空化階段的兩相流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣泡的初生、流動(dòng)、破碎聚并及潰滅消逝過程，研究了不同出口壓力對(duì)氣蝕的影響。蔡標(biāo)華[1]對(duì)射流泵內(nèi)初始空化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，射流泵中存在空氣空化和蒸汽空化 2 種空化形式，而壓力降低和相對(duì)速度的增加都會(huì)引起蒸汽空化，并研究了工作壓力、流量比和面積比等因素對(duì)初生空化的影響。肖龍洲等[10]采用 Realizablek-ε湍流模型對(duì)環(huán)形射流泵內(nèi)的空化流動(dòng)進(jìn)行模擬，指出由于速度剪切形成的漩渦中心、回流區(qū)中心位置以及喉管入口壁面處脫流等位置容易發(fā)生空化，并研究了不同吸入室角度對(duì)射流泵空化性能的影響。從上述文獻(xiàn)綜述可看出，盡管目前已經(jīng)開展了大量的射流泵實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬研究，但射流泵空化研究還處于探索階段，射流泵中壓力分布情況，特別是最低壓力點(diǎn)隨不同工況下出現(xiàn)的規(guī)律還有待深入研究。

本文采用商業(yè) CFD 軟件 Ansys Fluent 15.0 對(duì)射流泵內(nèi)單相三維流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析射流泵內(nèi)壓力場(chǎng)，針對(duì)最容易出現(xiàn)空化現(xiàn)象的靜壓極小值點(diǎn)出現(xiàn)位置的變化規(guī)律進(jìn)行研究，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算模型

本文首先對(duì)文獻(xiàn)[1]中射流泵進(jìn)行三維模擬以驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，采用商業(yè)軟件 Ansys Fluent 對(duì)該裝置進(jìn)行數(shù)值模擬。其結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格如圖 1 所示，全部采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格量約為 61 萬，噴嘴直徑為 12.1 mm，喉嘴距也為 12.1 mm，在噴嘴出口處有 3 mm 長(zhǎng)圓柱過渡段，喉管直徑 40 mm，喉管長(zhǎng)度為 280 mm，擴(kuò)散管長(zhǎng)度為 225 mm，射流泵出口直徑為 65 mm，射流泵面積比為 10.93。由于射流泵內(nèi)流動(dòng)涉及高雷諾數(shù)、強(qiáng)剪切等問題，所以首先需要對(duì)湍流模型進(jìn)行考察選擇，確定合適的湍流模型。工作流體在噴嘴出口處流速為20 m/s，工作流體和被抽流體入口邊界條件均設(shè)置為速度入口，出口設(shè)為壓力出口，出口壓力設(shè)為大氣壓。

2 湍流模型

從前面文獻(xiàn)綜述可以看出射流泵內(nèi)流動(dòng)具有雷諾數(shù)高、剪切強(qiáng)等特點(diǎn)，要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)射流泵內(nèi)流場(chǎng)就必須對(duì)湍流模型進(jìn)行選擇。本文對(duì)比了文獻(xiàn)中射流泵模擬常用的雷諾應(yīng)力模型（Reynolds Stress Model，RSM）、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型（Ske）和 SSTk-ω（SST）模型的影響，其模擬結(jié)果如圖 2 所示。其中h為壓力比，η為射流泵效率，定義如下：

從圖 2 中可看出，CFD 可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)射流泵壓力比和效率隨流量比的變化趨勢(shì)，說明采用 CFD 研究射流泵內(nèi)流動(dòng)情況合理可靠。需要注意的是 CFD 預(yù)測(cè)的壓力比在大部分流量比范圍內(nèi)都略大于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，這可能是模擬結(jié)構(gòu)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)存在偏差造成的。圖 2 還顯示盡管不同湍流模型預(yù)測(cè)的結(jié)果有所不同，但相差并不大，都能與實(shí)驗(yàn)值相符。盡管雷諾應(yīng)力模型計(jì)算量比其他模型（標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和 SSTk-ω模型）偏大，但在射流泵效率預(yù)測(cè)精度方面有優(yōu)勢(shì)。由于雷諾應(yīng)力模型并非基于各相同性湍流假設(shè)，對(duì)于射流泵這類在流場(chǎng)內(nèi)存在強(qiáng)剪切的流動(dòng)在本構(gòu)方程方面更具優(yōu)勢(shì)，所以本文后續(xù)將采用雷諾時(shí)均模型對(duì)射流泵展開模擬研究。

3 流場(chǎng)分析

圖 3 給出了流量比從 0.61～3.65 時(shí)射流泵內(nèi)速度和壓力分布云圖。從圖中可看出在不同流量比下，總體來說喉部區(qū)域靜壓較低，在這個(gè)區(qū)域中較容易產(chǎn)生空化氣泡。喉部由于高速流體突然脫離邊壁，容易造成局部的回流低壓。于是進(jìn)一步放大觀察喉部的壓力分布（見圖 4），可以明顯看出局部靜壓最低點(diǎn)出現(xiàn)在如圖所示 1 和 2 區(qū)域，緊貼壁面的流體突然脫離邊壁，產(chǎn)生局部的低壓區(qū)。在流量比較低時(shí)，被抽流體速度較低，位置 2 處壓力變化并不劇烈，壓力最低點(diǎn)出現(xiàn)在 1 區(qū)域，隨著流量比增大，被抽流體速度逐漸升高，由于流體脫離造成的回流越來越明顯，位置 2處壓力越來越低，壓力最低點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到該處。在位置 3 處由于工作流體和被抽流體之間在流量比較低時(shí)存在較為明顯的速度差，所以會(huì)形成較強(qiáng)的剪切流，此時(shí)剪切形成的漩渦也會(huì)形成一個(gè)局部低壓區(qū)，但相比于 1 和 2 處，壓力依然相對(duì)較高。從以上分析可以看出壓力最低點(diǎn)，也就是最容易發(fā)生空化的位置一般出現(xiàn)在位置 1 和 2 處，要避免在該位置發(fā)生空化，繼而抑制氣蝕和噪聲，主要需對(duì)這兩位置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

4 優(yōu)化方案

針對(duì)位置 1 和 2 處壓力較低，容易發(fā)生空化的問題，本節(jié)對(duì)這兩處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。從上面分析可以看出靜壓過低主要是由流體脫離壁面造成的，所以首先我們對(duì)位置 1 處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，新方案中噴嘴采用漸縮結(jié)構(gòu)而不采用平直段（如圖 5 方案 1 所示）。圖 6給出了修改后的射流泵特性曲線及效率曲線，可以看出 2 種方案在特性曲線和效率方面相差不大。在低流量比時(shí)，原方案效率稍高，在高流量比時(shí)，方案 1 效率較高，但總的來說相差并不大，由此可見將噴嘴出口平直過渡段改為漸縮結(jié)構(gòu)并不會(huì)顯著影響射流泵效率。

圖 7 給出了方案 1 與原方案射流泵最低靜壓隨流量比的變化關(guān)系，從圖中可以看出在較低流量比時(shí)，采用方案 1 漸縮噴嘴結(jié)構(gòu)，射流泵中的最低靜壓相比于原方案明顯升高，能有效抑制該處的空化。在高流量比時(shí) 2 種方案最低靜壓相差不大，甚至原方案最低靜壓要相對(duì)高一點(diǎn)。結(jié)合圖 4 和圖 9 可看出，采用漸縮噴嘴結(jié)構(gòu)，在噴嘴出口處不會(huì)存在由流體脫離壁面而形成的低壓區(qū)，所以在低流量比時(shí)最小靜壓值要明顯升高。而在高流量比時(shí)，最低靜壓點(diǎn)出現(xiàn)在喉部連接處（圖 4 中的位置 2），所以改變噴嘴結(jié)構(gòu)并不能改善喉管銜接處的最低靜壓。

為避免被抽流體突然脫離壁面，可在圖 4 所示 2處位置采用光滑曲面過度，方案 2 即在方案 1 的基礎(chǔ)上對(duì)在喉部位置外壁面進(jìn)行光順化處理，示意圖如圖 8所示。圖 6 給出了方案 2 的射流泵特性曲線及效率曲線，可以看出方案 2 射流泵的特性曲線和效率曲線與方案 1 十分接近，同時(shí)也與原方案類似。也就是說對(duì)喉管部進(jìn)行光滑過渡處理并不會(huì)對(duì)泵特性和效率產(chǎn)生明顯影響。

圖 7 同時(shí)給出了方案 2 中靜壓最低值隨流量比的變化情況，可以看出方案 2 在本文模擬的所有流量比中均比原始方案靜壓最低值高，即方案 2 結(jié)構(gòu)能有效減小或抑制空化現(xiàn)象的發(fā)生。在低流量比時(shí)，靜壓最低值與方案 1 接近。原始方案中靜壓最低點(diǎn)位置隨著流量比的增加逐漸從噴嘴出口處（位置 1）轉(zhuǎn)移到喉管邊壁（位置 2），由于方案 2 對(duì)喉管邊壁進(jìn)行了光順化處理，能有效抑制流體突然脫離壁面引起的邊界層分離現(xiàn)象，從而不容易形成局部低壓區(qū)，進(jìn)一步抑制空化現(xiàn)象的發(fā)生。

查看方案 2 喉部壓力分布（見圖 9），可以看出方案 2 中低壓區(qū)集中在喉部（圖 4 中位置 2）以及工作流體與被引流體接觸發(fā)生強(qiáng)剪切處（圖 4 中位置3），所以要進(jìn)一步升高最低靜壓，需要對(duì)圖 4 中位置2 處喉部結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，或者如文獻(xiàn)所述，采用兩級(jí)射流泵以抑制空化現(xiàn)象發(fā)生[11]。

5 結(jié) 語

本文對(duì)射流泵內(nèi)三維流動(dòng)情況進(jìn)行了單相流數(shù)值模擬，重點(diǎn)考察了射流泵內(nèi)靜壓最低點(diǎn)出現(xiàn)位置，主要結(jié)論如下：

1）不同湍流模型均能較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)射流泵的特性曲線和效率曲線，相對(duì)來說雷諾應(yīng)力模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近；

2）隨著流量比增大，靜壓最低點(diǎn)位置由噴嘴出口平直過渡段逐漸轉(zhuǎn)移到喉部銜接處；

3）噴嘴出口取消平直段，采用漸縮結(jié)構(gòu)及對(duì)喉部銜接處進(jìn)行光順化處理能在不影響射流泵效率的前提下顯著提高最低靜壓值，抑制空化。

[1]蔡標(biāo)華.射流泵初生空化及其試驗(yàn)研究[D].武漢: 武漢大學(xué), 2005.CAI Biao-hua.Analysis and experimental study on incipient cavitation within jet pumps[D].Wuhan: Wuhan university, 2005

[2]烏駿, 袁丹青, 王冠軍, 等.射流泵的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].排灌機(jī)械, 2007, 25(2): 65-68.WU Jun, YUAN Dan-qing, WANG Guan-jun, et al.Current situation and prospect of jet pumps[J].Drainage and Irrigation Machinery, 25(2): 65-68.

[3]WINOTO S H, LI H, SHAH D A.Efficiency of jet pumps[J].Journal of Hydroulic Engineering, 1997, 126(2): 150-156.

[4]龍新平, 何培杰.射流泵氣蝕問題研究綜述[J].水泵技術(shù), 2003(4): 33-38.LONG Xin-ping, HE Pei-jie.A review on the investigation of cavitation phenomenon within jet pumps[J].Pump Technology, 2003(4): 33-38.

[5]PIANTHONG K, W.S., BEHNIA M, SRIVEERAKUL T, APHORNRATANA S.Investigation and improvement of ejector refrigeration system using computational fluid dynamics technique[J].Energy Conversion & Management, 2007, 48: 2556-2564.

[6]FAN J, J.E., THOMPSON H M, TOROPOVE V V, KAPUR N, COPLEY D, MINCHER A.Computational fluid dynamic analysis and design optimization of jet pumps[J].Computers & Fluids, 2011, 46: 212-217.

[7]BARTOSIEWICZ Y, Z.A., DESEVAUX P, YVES MERCADIER.Numerical and experimental investigations on supersonic ejectors[J].International Journal of Heat and Fluid Flow, 2005, 26: 56-70.

[8]梁愛國(guó), 劉景植, 龍新平, 等.射流泵內(nèi)流動(dòng)的數(shù)值模擬及喉管優(yōu)化[J].水泵技術(shù), 2003(1): 3-6.LIANG Ai-guo, LIU Jing-zhi, LONG Xin-ping, et al.Numerical simulation of the flow inside the jet pump and optimization of the throat[J].Pump Technology, 2003(1): 3-6.

[9]龍新平, 程茜, 韓寧, 等.射流泵空化流動(dòng)的數(shù)值模擬[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2010, 28(1): 7-11.LONG Xin-ping, CHENG Qian, HAN Ning, et al.Numerical simulation on cavitating flow within jet pump[J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2010, 28(1): 7-11.

[10]肖龍洲, 龍新平.吸入室角度對(duì)環(huán)形射流泵空化性能的影響[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2015, 49(1): 123-129.XIAO Long-zhou, LONG Xin-ping.Influence of inclined angle on cavitation performance of annular jet pump[J].Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2015, 49(1): 123-129.

[11]顧磊, 張景松, 楊春敏.氣蝕工況液體射流泵的實(shí)驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械, 2006, 34: 7-9.GU Lei, ZHANG Jing-song, YANG Chun-min.Experiment on the liquid jet pump in cavitation[J].Fluid Machinery, 2006, 34: 7-9.

CFD simulations for the optimization of jet pumps

XIAO Qi1, LIN Yuan-sheng2, WEI Zhi-guo1, WANG Jun-rong1, LI Shao-dan1
(1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China; 2.Guangzhou Bureau of Navy Equipment Department, Guangzhou 510310, China)

The 3-D flow inside the jet pump was simulated in this paper.The static pressure distribution, which is related to the cavitation phenomenon occurring inside the jet pump, was analyzed.It was found that different turbulence models lead to similar simulation results, and the Reynolds stress model offers the best efficiency prediction comparing with the experimental data.The simulation results show that the location of minimum static pressure moves from the nozzle exit region to the connection between the suction chamber and throat when increasing the flow rate ratio.Then two optimizations have been proposed: 1.adopting the convergent conical nozzle design and removing the straight zone at the nozzle exit.2.Using the smooth curve instead of the sharp connection between the suction chamber and throat.Those two optimizations could both significantly improve the minimum static pressure, which further suppression the cavitation phenomenon.The simulation results could provide theoretical support for the jet pump designs.

jet pump；minimum static pressure；CFD；cavitation

TH38

：A

1672-7619(2017)01-0085-05doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.017

2016-04-13；

: 2016-05-31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51406138)

肖頎(1988-)，男，博士，工程師，主要從事汽液兩相流數(shù)值模擬研究。