不同吸入角度环形射流泵回流区域研究

2020-04-07肖龙洲蔡标华

流体机械 2020年2期

肖龙洲，蔡标华，胡洋

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205）

0 引言

根据喷嘴与吸入管结构形式，射流泵可分为中心射流泵［1-5］和环形射流泵［6-13］。环形射流泵的喷嘴包围在被吸流体的外侧成环状，而吸入管则位于喷嘴中心，因此其被吸流体流道通畅，可以用于固体颗粒的输送。

目前针对环形射流泵的性能和结构优化存在一定的研究。Shimizu等［14-15］针对25组不同的环形射流泵进行了大量的试验研究，分析了结构参数对环形射流泵性能的影响，并对环形射流泵的空化性能进行了研究。Elger等［16］研究了直通型环形射流泵面积比对回流区域的影响，并引入无因次参量动量比来研究环形射流泵中回流的产生与消失。Xiao等［17］通过数值仿真方法归纳了直通型环形射流泵临界动量比和面积比的关系，可用于指导直通型环形射流泵设计。曾庆龙等［18］和Qiao等［19］将DOE和CFD方法相结合，对环形射流泵结构进行优化，得到了环形射流泵最优的结构参数和性能曲线。Xiao等［20-22］通过高速摄影的方法对环形射流泵内空化云及回流区域的运动规律进行研究。

对于环形射流泵回流的影响因素较多，运行工况和结构参数对回流区域的形成、发展和消失都存在一定的影响。目前环形射流泵吸入角度与回流区域变化的关系研究较少。本文利用CFD方法对不同吸入角度的环形射流泵内部流态进行模拟仿真，分别研究流量比和吸入室角度对环形射流泵内回流区域的影响，并进一步对环形射流泵中回流消失的临界状态进行分析。

1 环形射流泵结构与流动特性

1.1 环形射流泵结构

环形射流泵结构如图1所示，其主要部件包括：环形喷嘴、锥形吸入管、吸入室、喉管、扩散管及出口管。上游高压工作流体经过环形喷嘴转化为高速环形射流。高速环形射流进入吸入管后与包裹于中心的低压被吸流体形成极大的径向速度梯度，并产生对被吸流体的卷吸作用。在喉管中，两股流体通过径向的动量传递实现掺混。混合后的高速工作介质经扩散管增压，由出口管排出。环形射流泵结构参数尺寸如下：出口管直径D0=55 mm，吸入管出口直径Ds0=43 mm，喉管直径Dt=38 mm，吸入室角度α=18°，喉管长度与喉管直径比值Lt/Dt=2.69，扩散管角度β=5.8°，面积比m=1.75（喉管截面积与环形喷嘴截面积之比），喷嘴厚度t =2 mm。

图1 环形射流泵内部结构［14］

1.2 环形射流泵结构内部流动特性

根据环形射流泵内工作流体与被吸流体的流动状态，可将环形射流泵内流动划分为4个区域（如图2所示）：射流核心区A、过渡区B、回流区C和充分发展区D。射流核心区内，射流核心向下游逐渐减弱，但流速核心始终存在；过渡区处于回流区域前，该区域内，射流核心完全消失，此时在轴向存在一个较小的正压梯度；回流区对应流动分离点和再附点对应的区域，该区域内出现明显的回流；充分发展区位于再附点后，此时工作流体和被吸流体在经历回流并再附后再次掺混，径向速度梯度减弱，两股流体在喉管和扩散管内充分发展并掺混。4个区域并非固定不变，当流量比变化时不同区域所处位置也会变化。当流量比较小时，射流核心区和过渡区将在吸入室内消失，而回流区大幅度扩大，分离点会向上游移动至吸入室内，而再附点则有可能扩展至喉管内。当流量比增大至临界值时，回流区则会消失。

图2 环形射流泵内部流动示意［20］

2 数值模拟方法

图3示出计算域及网格示意，计算模型采用二维轴对称模型。

图3 计算域及网格示意

原点设置在喷嘴出口轴心线处。由前述分析可知，吸入室内工作流体与被吸流体在径向存在较大的速度梯度和剧烈的动量交换，因此此处网格划分更密。在绘制模型过程中，为保证进出口流动状态更符合实际情况，计算域的进出口分别向上游和下游扩展3倍和10倍喉管直径。紊流模型选用k-ε模型。工作流体入口与被吸流体入口的边界条件设置为质量流量入口，出口采用压力出口边界条件，中心轴设为轴对称边界，其它设为壁面。本文计算采用商业软件FLUENT，时间步长取为5×10-5s。压力与速度耦合方式选SIMPLEC，动量方程与湍动能方程采用二阶迎风格式离散。

流量比q和效率η计算式如下：

式中 Qs——被吸流体流量；

Qj——工作流体流量；

Pd，Ps，Pj—— 环形射流泵出口、喷嘴及被吸管内流体平均总压。

射流泵效率η的数值模拟结果与试验结果的对比如图4所示。从图可见，2种不同密度的网格（5万网格和20万网格）得到的仿真结果十分接近，效率曲线偏差最大不超过1%。在流量比q=0～0.6的范围内，2种网格的仿真结果与试验数据结果十分吻合。因此本文中的数值模拟方法可以用于模拟环形射流泵内部流动状况。

图4 数值模拟结果与试验结果比较

3 结果与分析

3.1 流量比对回流区域影响

图5示出不同流量比下环形射流泵内部回流区域比较（α=30°）。由图可见，当q =0.05时，在吸入室内形成了巨大的回流区域。被吸流体在吸入管内中心线处出现了流动分离，直到喉管入口处回流消失且流动再附。随着q增大至0.15，流动分离点迅速向下游移动，而再附点则是缓慢的向上游移动，并且回流区域也明显减小。当q继续增大至0.23时，分离点进一步向下游移动，此时回流已十分微弱。当q=0.25时，回流区域则完全消失。因此，在流量比增大的过程中，回流区域不断减小，分离点和再附点不断靠近。当流量比达到某一临界值时，回流消失。

图5 不同流量比下环形射流泵内部回流区域比较（α=30°）

3.2 吸入角度对回流区域影响

图6 示出不同吸入角度环形射流泵性能比较。

图6 不同吸入角度环形射流泵性能比较

不同的吸入角对环形射流泵性能存在一定的影响。当吸入角α由10°增大至18°时，泵效率整体不断提高达到最优。此时继续增大吸入角α，环形射流泵效率会出线明显地下降，尤其在高效率区（0.5≤q≤0.8）。增大吸入角，局部结构突变引起的损失会明显降低泵效率。减小吸入角，则会延长吸入室增加摩擦损失。可见吸入角直接影响泵内部工作流体和被吸流体动量的交换，进而导致回流区域的变化。根据仿真结果18°吸入角对应的环形射流泵效率最高。

图7示出不同吸入角度环形射流泵回流区域位置分布。横轴x/D0为轴向位置的无量纲表达形式。每一个吸入角度都对应3条曲线，从左至右分别表示分离点、回流中心及再附点的位置。当α=10°时，不同流量比下回流区域相对最大，主要表现为回流中心和再附点更靠近下游。当q=0.05时，吸入角度越大分离点位置越靠近上游。然而当q增大至0.15时，不同吸入角对应的分离点移动至吸入室内同一位置。此时吸入角度越大，分离点在q增大的过程中向下游移动的更快（除α=30°外）。吸入角度对回流中心和再附点位置也会产生较大影响。当α由10°增大至18°时，回流中心和再附点会逐渐向上游移动。然而当q继续增大至25°时回流中继续向上游移动而再附点却开始向下游移动。当α=30°时，回流区域的变化规律与其他角度的环形射流泵存在较大差别。分离点和回流中心随q的增大迅速向下游移动，其回流消失的位置位于喉管内。

图7 不同吸入角度环形射流泵回流区域位置分布

吸入角度在一定程度上会抑制回流区域的发展。当α=10°吸入室内壁对回流区域影响相对较小，但逐渐增大α时，吸入室内壁面对回流区域起到了一定的挤压作用，加速了工作流体与被吸流体的动量交换过程。当α增大至30°至时，内壁对回流区域的挤压作用较大，而动量交换过程又没有及时完成，故导致回流区域部分进入到喉管内。可见适当优化吸入角度可有效控制环形泵的回流区域。

3.3 临界流量比

由前述分析可知，当流量比增大至临界值时，回流区域消失，分离点和再附点重合。该临界状态下环形射流泵运行时的流量比则称为临界流量比qc，而临界流量比也是设计环形射流泵的重要参数，是衡量环形射流泵回流特性的重要指标。图8所示为临界流量比与吸入角度的关系曲线。由图可知，当α处于18°和25°之间时，临界流量比存在极小值。此时回流发生对应的流量比范围最小，相比其他吸入角度，回流更难发生。由此可见，当18°≤α≤25°时，吸入室内壁对回流区域的抑制效果达到最佳，回流能够在较小的临界流量比下消失，环形射流泵的工作范围得到有效拓宽。