混合段长度对射流泵性能的影响

王 琼 孙华伟 顾玲燕

摘要:射流泵的内部流动情况复杂,而泵内流动情况的好坏直接关系泵的性能。试验中,发现不同测压点测得的增压值不同。文章运用数值模拟分析了射流泵内部的流动,分析了射流泵混合段长度对射流泵性能的影响,截取了射流泵出口段不同位置的速度分布图,为评价泵的特性提供了依据,同时也证明了试验中测量的正确性。

关键词:射流泵;数值模拟;混合段长度;流体输送设备

中图分类号:TH314文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)20-0185-02

一、射流泵的应用

射流泵是一种流体输送设备,由于本身没有运动部件,具有结构简单、工作可靠、重量轻等特点,在农牧渔业、水利电力、航空、交通运输和环境保护等部门都有广泛的应用。

在射流泵内,高压流体通过喷嘴形成的射流是有界伴随射流,射流的边界层受混合段内壁的限制,加上被引射流体伴随进入射流边界层,在混合段中逐渐混合,其流场分布非常复杂,目前尚没有可以描述其流动的数学模型。

应用于航空飞机上的某射流泵由于空间位置和结构的限制,只有混合段,没有扩散段。对产品进行性能试验,试验结果证明不同测压点对引射泵的性能会有很大的影响。产品在距离产品出口管远近两处测压点的测量值相差较大 ,远处测压值(B测压点,距离射流泵出口管端面距离为550mm)大于近处测压值(A测压点,距离射流泵出口管端面距离为70mm);且B处测压值与要求值接近,而A处测压与要求值不符,如图1所示:

本文运用传统射流泵理论,结合流体仿真计算,分析不同混合段长度情况下射流泵内流体的流动状态,以及对射流泵性能的影响;最后用试验进行验证,为现实提供一定的指导意义。

二、理论分析

引射泵的结构如图2所示:

图2中,LC为喉嘴距,d1为喷嘴出口直径,d3为混合段直径,Lk为混合段长度,LD为扩散管长度。

射流泵的工作原理为:射流泵内具有一定压力的动力源通过喷嘴高速喷射,通过动量交换和射流质点的紊动作用吸入流体,两股流体在混合直管段内进行能量交换,动力源流速降低,被吸流体流速增加,并且随着流体混合的动能交换,混合流体的压力也不断升高,在混合段出口完成动能交换,混合流体流速基本均匀。

混合段长度对泵的效率有显著影响。Lk直接影响高低两股液流在混合腔中进行能量交换是否充分的程度和液体的能量损失,这主要表现为沿程损失和冲击损失。混合段长度过长、过短都会明显影响泵的效率。

大量试验证明,混合段的最优长度为Lk=(6～8)d3。

三、仿真计算

我们用流体仿真软件对射流泵进行分析,在处理模型时把B测压点前的直管都假设成产品出口混合段。以此为模型进行流体仿真分析,获得了某压力下射流泵在A、B处情况下的数值计算值,如图3所示:

从图3看到,同样的引射源压力下:(1)A处测压点计算值比B处测压点计算值低;(2)A、B两处计算的差值随流量的变化而有所变化。

根据射流泵大约在7倍混合段直径处完成能量交换的理论,本射流泵自身出口混合段长度只有其直径的3.3倍,高速射流与被吸流体在出口并未完成能量交换,在出口端面的速度分布也不均匀。

图4为流体仿真该引射泵内部流场,截取了泵出口处的速度流场云图,从图中可以明显看出泵出口混合段存在着明显的漩涡,高速射流与被吸流体存在较大的速度差,能量交换在引射泵出口端面仍在进行。

图5中,截取了不同位置的速度图,其中L是指B测压点到截取截面的距离,建模时确定了Z轴方向是从流道出口指向喷嘴,因此在该图中由喷嘴流向出口的流速显示为负值,而反向射流则显示为正值。从图中可以看出,L=650mm的截面处于喷射流和被引射流的混合区,截面中心是高速区,截面周边为低速区,在靠近固壁处存在漩涡,这是由于速度梯度过大而形成的。随着截面越来越靠近流道出口(随着L越来越小,流体越来越靠近出口),速度梯度减缓,L=250mm(即Lk=8.3d3)时,固壁处漩涡消失,高速流和低速流已基本混合均匀。

A测压点前的直管长度为混合段直径的4.4倍,B测压点前的直管长度为混合段直径的12.4倍,因此射流泵内的混合流体流经A测压点后,混合流体仍在进行能量交换,压力继续升高,而B处是混合流体已完成了能量交换,因此在A、B两处测得的压力不同,且B处的压力高于A处。

射流泵中流动的情况与流量比有关。当射流泵的喉管和喷嘴的尺寸已定后,流动的结构只与工作射流和被吸流体的流量比有关(即与射流泵的速度比有关)。在大流量比情况下,即工作射流和被吸流体的速度比较小的情况下,两股流体要混合一致,工作射流所付出的能量较少,射流衰减就越慢, 因此,高速射流区就保持的越长。在同样的引射源压力下,随着出口流量的增大(即被吸流体和工作射流的流量比增大),A、B两处的计算差值随流量的增大而有所增大。

四、试验方法及结果

在仿真的基础上,又用试验进行了验证。在相同的试验设备下,将测压点分别放在A、B两处,同时在测试试验数据时,保证相同的入口条件和动力源条件,测得某动力源压力下射流泵在A、B处的性能曲线对比,如图6所示:

从图6的曲线来看,对同一台泵,同样的试验条件下,在相同的入口条件下,同样的动力源压力下,B处测得的压力比A处测得的压力高。随着流量的变化,A、B两处的差值也有所变化。流量越大,A、B两处的差值也越大。这和计算的结果吻合,也证明了计算的准确性。

一般情况下,射流泵混合段不同长度对泵性能有很大影响,长度过短使液体混合不均匀,增加后面的扩散损失;长度过长则增加摩擦损失。而本文研究的射流泵因空间位置所限,没有扩散段,且混合段的长度不足以使引射流和被引射流体完全混合,发生能量交换。在这种情况下,要想试验中能真实地反映射流泵的性能,必须选择合适的测压点。

五、结论

1.用数值模拟分析了射流泵内部的流动情况,说明射流泵要具有足够的混合段长度以满足混合流体能量交换的需要。设计产品时要充分考虑混合段的长度,当产品因空间位置所限时,要想试验能真实反映产品的特性,应选择合适的测压点,为设计和试验提供了一定的指导意义。

2.试验中,不同测压点测得不同压力值。当测量点处在稳流区,测得的数据能较真实的反映产品的特性。因此试验中测量点的位置应避开混流区,以保证测试数据的准确性。

参考文献

[1]机械工程手册(第14卷)[M].机械工业出版社出版,1982.

[2]叶片泵设计手册[M].机械工业出版社,1983.

[3]关醒凡.泵的理论与设计[M].机械工业出版社,1986.

作者简介:王琼(1981-),供职于中航工业金城集团南京机电液压研究中心,硕士,研究方向:泵类产品设计;孙华伟(1974-),供职于中航工业金城集团南京机电液压研究中心,研究生在读,研究方向:泵类产品设计;顾玲燕(1983-),中航工业金城集团南京机电液压研究中心,硕士,研究方向:泵类产品仿真计算。