吸入管出口位置及直径对环形射流泵影响的数值模拟

李同卓，杨志朋

吸入管出口位置及直径对环形射流泵影响的数值模拟

李同卓，杨志朋

（河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454000）

射流泵；数值模拟；吸入管；结构优化

0 引 言

【研究意义】射流泵是一种利用2股或多股流体紊流扩散从而进行质量与能量交换及传递的特色流体机械，其工作原理为高速流体通过射流对低速流体进行抽吸混合。此设备主要特点为无运动部件，在实际应用中有着结构简单、便于安装维护、可靠性高等优点，主要由喷嘴、吸入管、吸入室、喉管和扩散管构成。射流泵分为中心射流泵和环形射流泵2种，其主要区别在于喷嘴和吸入管所处位置。其中，中心射流泵喷嘴多处于其中心轴线上，吸入管在其一侧或二侧；环形射流泵则与之相反，吸入管位于射流泵中心轴线上，喷嘴环绕在吸入管附近。由于中心射流泵提出较早，因此国内外学者对中心射流泵研究较多[1-3]，针对环形射流泵研究偏少。此外，环形射流泵在果物及鱼类输送方面具有损伤小、存活率高等特点。因此，提高环形射流泵效率以降低工业生产成本及增大输送效率具有重要意义。

【研究进展】Shimizu等[4]通过大量实验对环形射流泵进行了结构方面的优化，并验证了环形射流泵最高效率可达到36%；Elger等[5]通过实验验证了环形射流泵内部的回流现象，并对回流区域及影响因素进行了分析；Kwon等[6]通过数值模拟探究吸入室形状对环形射流泵效率和内部流场的影响，并发现在小流量比情况下会产生回流；Yamazaki等[7]研究发现射流泵内部流体摩擦阻力系数与表面粗糙度呈正比；Yadav等[8]对环形射流泵中几何结构变化引起的被吸流体吸入效率影响进行研究，发现较长的喉管会减小空化现象从而增大被吸流体流量。目前针对射流泵的研究主要还是以提高效率为主，许多学者从喉管长度[9]、喷嘴位置[10]、吸入室收缩角[11]等多方面对射流泵进行结构方面的优化。高全杰等[12]将环形射流泵与自激振荡射流相结合，研究不同流量比下射流泵的性能和效率，指出最大效率相较于普通射流泵提高了2%。此外，针对环形射流泵更方便运送固体颗粒，尤其是较大固体颗粒或是不规则固体颗粒，不少学者进行了对其进行实验探究[13-15]。

【切入点】目前对环形射流泵中对其他部分结构研究较多，但对吸入管结构研究较少，特别是针对吸入管出口位置和直径对环形射流泵性能影响的研究不够具体。

【拟解决的关键问题】文章拟通过FLUENT软件对环形射流泵进行CFD数值模拟预测泵的性能，以吸入管出口与喉管入口之间的间距以及吸入管直径为主要研究因子（图1），分别对不同条件下环形射流泵的内部流场进行模拟，分析2个研究因子对射流泵效率以及内部流场的影响，为环形射流泵之后的结构设计以及有关优化提供参考。

1 模型建立及验证

1.1 计算模型

文中工作流体及被吸流体均为普通液态水，因此设置流动为定常不可压缩流动。湍流模型选择上，Realizable模型相较于其他湍流模型，对紊流流动的计算更加准确，同时也可获得更精确的内部流场细节[16]。因此，模拟中采用Realizable模型。控制方程为N-S方程，通过SIMPLEC算法进行速度和压力耦合计算，相较于SIMPLE算法，可获得更快收敛以及更为精确的计算结果。离散格式为二阶迎风格式。

1.2 计算域网格划分

环形射流泵内部流动区域为有限空间流动，且其结构为轴对称结构，因此在模型构建中可将其简化为二维轴对称模型，只需对其上半部分区域进行求解。通过ANSYS中ICEM软件对模型进行网格划分，网格为四面体单元网格。在实际网格划分中，由于工作流体由喷嘴射出后与被吸流体在吸入室以及喉管内部混合，此处区域动量剪切和能量交换较为剧烈，因此对该区域网格划分过程中进行加密处理，以保证计算结果的准确性。在模型的绘制中，为使计算模型更加符合实际流动情况，以喷嘴出口所在平面为计算原点，沿逆流方向进行延长，长度经试算选择为5倍吸入管直径，射流泵出口处水平段长度选择为8倍出口直径，以保证符合实际情况及计算准确性，计算模型如图1所示。

图1 计算模型结构示意图及网格模型

在网格划分时分别选取网格数量为3.3×104、8.7×104、2.3×105共3种网格，由表1可以看出，网格数量为3.3×104时，其模拟结果与另外2种网格模拟结果相对误差较大，网格数量为8.7×104、2.3×105的2种网格模拟结果相对误差在1%以内，结果较为接近。所以综合模拟精度以及模拟计算时间2方面考虑，最终选择网格数量为8.7×104个的网格进行计算。

表1 网格无关性验证

1.3 边界条件

①进口边界：工作流体与被吸流体入口均设置为速度进口，且设置来流为均匀来流；②出口边界：设置为压力出口；③对称轴边界：各变量仅随轴线发生变化；④壁面：采用壁面函数法处理。

1.4 模拟可靠性验证

为了对模拟结果进行可靠性验证，文中采用Shimizu试验所使用的环形射流泵[4]结构参数进行模拟，具体参数为喷嘴面积与喉管面积之比为0.57，吸入室收缩段处收缩角为18°，喉管长115 mm，喉管直径为43 mm，扩散管扩散角度为6°，出口直径为55 mm，根据以上参数对环形射流泵进行二维建模与数值模拟。表2为数值模拟中不同流量比下所对应的压力比及效率值。

表2 模拟结果中各点具体数值

图2为模拟数据与试验结果对比图。如图2所示，模拟结果中射流泵效率在大流量比条件下与试验结果非常接近，在低流量比时存在部分误差，整体结果与试验结果吻合较好，表明在此模型下通过数值模拟对环形射流泵进行效率和内部流场分析结果是可靠的。

图2 环形射流泵性能对比

2 结果与分析

2.1 吸入管出口位置对射流泵影响

为分析吸入管出口位置对环形射流泵效率的影响，在不改变其他参数的前提下，使用上述模型进行模拟计算。其中，吸入管出口位置与喉管入口之间间距分别为21、23、25、27、29 mm。

图3为在5种吸入管出口位置下所对应的效率曲线，考虑到泵的实际工况，仅绘制流量比为0.1～0.6时所对应的性能分布情况。

图3 吸入管出口位置对射流泵性能影响

由图3可看出，当流量比较大时，射流泵在=25 mm以及=27 mm时明显效率较高，在=27 mm时取得最高效率36.1%，其中当=25 mm时，吸入管道出口与吸入室入口位于同一平面；当流量比较小时，射流泵在=29 mm处取得较高效率。由此可见，当=23 mm以及=21 mm时效率偏低；=29 mm时在大流量比情况下效率较低。分析前者是因为吸入管过于深入吸入室收缩段，引起工作流体出口变狭窄，造成部分能量损失；后者是因为2股流体部分在吸入室收缩段之外提前混合，引起能量损失导致效率偏低。

图4为当流量比为0.559时，射流泵吸入管出口在不同位置时对应的喉管进口及出口轴向速度剖面。其中V为喷嘴进口速度。由图4（a）可以看出，随着吸入管出口与喉管入口之间的距离增大，其近壁面速度逐渐减小。图4（b）可以看出，射流在喉管内由边界向中心扩展，吸入管出口距喉管入口越远，喉管中心流速越大，这也意味着喉管内2股流体混合程度越好。

图5为当流量比为0.559时，上述不同吸入管出口位置下环形射流泵喉管部分和扩散管部分的内部流场速度云图。由图5可以看出，当吸入管出口位置距喉管入口较小时，由于工作流体近壁面速度较快，导致其核心射流破坏程度较慢，与被吸流体速度梯度较大，可以看到2股流体在扩散管处仍存在明显的速度分界层，随着出口位置距喉管入口距离不断增大，2股流体间混合程度也不断增大，但工作流体出口处速度也越低。因此，尽管间距的增加会使2股流体在喉管内混合更为理想，但过大间距会导致2股流体在吸入室内提前混合，从而导致工作流体速度降低，造成部分能量损失，从而导致效率降低。

图5 不同吸入管出口位置速度云图

图6为射流泵吸入室部分及喉管前段内部流场流动迹线图。由图6可看出，随着距离的不断增加，在喉管处形成的回流（或涡旋）大小逐渐减小，直至当=29mm时，喉管内回流基本消失，回流的大小意味着2股流体在接触处的动量交换以及剪切力大小的强弱，这也可以从流体流动方向上解释，随着距离的减小，工作流体的出口截面积也在不断减小，但出口处速度也在不断升高，一定程度上可提高环形射流泵的抽吸能力。

图6 射流泵内部流场速度迹线

2.2 吸入管直径对射流泵影响

为分析吸入管直径对射流泵性能影响，采用前文射流泵模型进行计算，模拟时保持其他参数不变，仅对射流泵吸入管直径进行改变，分别取直径=31、35、39、43、47 mm。

图7为环形射流泵在5种吸入管直径下不同流量比时的效率曲线，同上，考虑到泵的实际工况，本文仅展示流量比为0.1～0.6的范围下泵的性能曲线。

由图7可看出，随着吸入管直径不断减小，泵的效率整体呈降低趋势。其中，在低流量比区域，泵的效率降低并不明显，随着流量比增大，效率差距越发显著。另外，泵的效率最高点位置也在变化，随着泵的吸入管直径不断减小，泵的效率最高点也在不断地左移。由此可见，在不改变其他任何参量（包括工作流体进口截面积）条件下，从效率方面考虑，泵的吸入管直径应越大越好，若选取较小直径，应使其工作在低流量比区域以减小其效率损失。

图7 不同吸入管直径的性能曲线

3 讨 论

目前在环形射流泵结构的研究中，针对喉管长度[9]、面积比[15]、吸入室角度[17]及扩散管角度[11]等部分的研究已有很多，对于吸入管结构对环形射流泵的影响研究较少。确定合适的吸入管参数[3]有助于改善内流场流态、增强两相流体混合程度，提高射流泵效率。本文对吸入管不同出口位置及直径下对环形射流泵性能影响进行了系统性研究，并通过选取最佳参数实现性能上的优化。在整体的分析思路上，参考龙新平等[2,9]、曾庆龙等[11]对环形射流泵结构优化的方法，且与之相比，本文对于吸入管对射流泵内流场的影响研究更为全面，分析并给出了本模型下吸入管各参数的最优取值范围。

从环形射流泵效率上分析：流量比较小时，出口位置距喉管入口较远可拥有较高的效率，结合图6不同吸入管出口位置云图可看出，随着吸入管出口与喉管入口之间间距的缩短，其工作流体的近壁面流速不断升高，扩散速度也随之降低，但在低流量比的条件下，由于被吸流体本身流速偏低，因此，2股流体能够较为快速且均匀的混合，工作流体流速越高，其核心射流瓦解及向外扩散越为缓慢，因此2股流体在喉管中混合所需时间较长，此外，工作流体的高流速所产生的2股流体更强的速度剪切也带来了更多的能量损耗，导致了效率的降低；流量比较大时，一方面，随着二者间距的不断缩短，其工作流体的出口截面积不断减小，且核心射流瓦解速率的降低不利于2股流体之间的混合，另一方面，被吸流体流速增加，2股流体动量交换更为强烈，在喉管外的过多接触带来了更多的能量损失，在结构中表现为吸入管出口应靠近喉管入口，在二方面的作用下，射流泵效率在间距为中间值时取得了最高值，在本模型中间距为27 mm。从射流泵内部流场进行分析，在高流量比的条件下，间距的缩短导致喉管中线附近的流体流速降低，这也意味着2股流体混合较差，但泵内回流区域不断增强，一定程度上表明可提高射流泵的抽吸能力。吸入管直径大小的变化对射流泵效率的影响较为明显，随着直径的减小，效率也在逐渐降低，且最高效率点所对应的流量比也在不断减小。

本文的研究仅针对一种射流泵结构模型下吸入管的变化对其的影响进行分析，且研究中流量比的间隔跨度较大，吸入管结构的变化较少，且均为等规律选取，因此本论文中对于模拟结果的总结仍需进一步确认，例如，出口位置对效率的影响是否总是一成不变，在其他面积比或流量比相同但工作流体出口速度不同的条件下是否仍保持规律性变化，不同吸入管直径所对应的最高效率点大小和位置能否用公式进行规律性总结，上述内容是需要进一步研究的重点。

4 结 论

吸入管出口位置方面，流量比为0.1～0.3时，可选择出口位置与吸入室收缩段入口保持一定距离以提高效率，流量比为0.4～0.6时，应使其靠近吸入室收缩段入口，在此模型下2 mm为最优，吸入管出口距喉管入口距离越大，2股流体在喉管中混合效果越好，但过大间距会导致能量损失较高。

吸入管直径方面，在不改变其他参量条件下，射流泵的效率随着直径的增大而增大；且泵的最高效率点所对应的流量比会随着吸入管直径增大而变高，若选用较小直径，应确定其最高效率点所对应的流量比，以减小效率损失。

[1] WINOTO S H, LI H, SHAH D A. Efficiency of jet pumps[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2000, 126(2): 150-156.

[2] 龙新平, 王丰景, 俞志君. 喷射泵内部流动模拟与其扩散角优化[J]. 核动力工程, 2011, 32(1): 53-57, 69.

LONG Xinping, WANG Fengjing, YU Zhijun. Optimization of divergence angle of jet pump based on numerical simulation of interior flow field [J]. Nuclear Power Engineering, 2011, 32(1): 53-57, 69.

[3] 陆宏圻. 喷射技术理论及应用[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2004.

LU Hongqi. Theory and application of jet technology[M].Wuhan: Wuhan university press,2004.

[4] SHIMIZU Yukimaru, NAKAMURA Shogo, KAZUMURA Sadao, et al. Studies of the configuration and performance of annular type jet pump[J]. Journal of Fluids Engineering, 1987, 109(3): 205-212.

[5] ELGER Donald F, TAYLOR Sam J, LIOU Chyr P. Recirculation in an annular-typejet pump[J]. Journal of Fluids Engineering, 1994, 116(4): 735-740.

[6] KWON O B,KIMM K,KWON H C, et al. Two-dimensional numerical simulations on the performance of an annular jet pump[J]. Journal of Visualization, 2002, 5(1): 21-28.

[7] YAMAZAKI Yukitaka, NAKAYAMA Tomonori, NARABAYASHI Tadashi, et al. Effect of throat surface roughness on jet pump performance[J]. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, 2006, 72(8): 1 895-1 900.

[8] YADAV Randheer L, PATWARDHAN Ashwin W. Design aspects of ejectors: Effects of suction chamber geometry[J]. Chemical Engineering Science, 2008, 63(15): 3 886-3 897.

[9] 龙新平, 鄢恒飞, 张松艳, 等. 喉管长度对环形射流泵性能影响的数值模拟[J]. 排灌机械工程学报, 2010, 28(3): 198-201, 206.

LONG Xinping, YAN Hengfei, ZHANG Songyan, et al. Numerical simulation for influence of throat length on annular jet pump performance[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2010, 28(3): 198-201, 206.

[10] 徐茂森, 龙新平, 杨雪龙, 等. 喷嘴位置对新型环形射流泵性能的影响[J]. 排灌机械工程学报, 2014, 32(7): 563-566, 582.

XUMaosen, LONGXinping, YANG Xuelong, et al. Effects of nozzle location on new type annular jet pump performance[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2014, 32(7): 563-566, 582.

[11] 曾庆龙, 龙新平, 肖龙洲, 等. 环形射流泵结构优化设计[J]. 排灌机械工程学报, 2014, 32(2): 98-102.

ZENG Qinglong, LONG Xinping, XIAO Longzhou, et al. Structure optimization of annular jet pumps[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2014, 32(2): 98-102.

[12] 高全杰, 李海洋, 汪朝晖, 等. 环形自激振荡射流泵内部流动特性的数值模拟[J]. 机械设计与制造, 2017(7): 103-106.

GAO Quanjie, LI Haiyang, WANG Chaohui, et al. Numerical simulation for characteristics of the Internal flow on annular self-excited oscillation Jet pump[J]. Machinery Design & Manufacture, 2017(7): 103-106.

[13] 徐茂森, 龙新平, 祝叶, 等. 射流式鱼泵输送草鱼的性能研究[J]. 南方水产科学, 2017, 13(1): 117-123.

XU Maosen, LONG Xinping, ZHU Ye, et al. Research on grass carp conveyance performance of jet fish pump[J]. South China Fisheries Science, 2017, 13(1): 117-123

[14] 黄道沛, 李存军. 基于负压原理的射流式吸鱼泵研究[J]. 浙江海洋学院学报(自然科学版), 2016, 35(4): 354-357.

HUANG Daopei, LI Cunjun. Research on the jet type suction fish pump based on the principle of negative pressure[J]. Journal of Zhejiang Ocean University (Natural Science), 2016, 35(4): 354-357.

[15] 徐茂森, 龙新平, 牟介刚, 等. 喉管与喷嘴截面积比对射流式鱼泵输送性能及鱼损的影响[J]. 农业工程学报, 2019, 35(9): 285-290.

XU Maosen, LONG Xinping, MOU Jiegang, et al. Influence of sectional area ratio of throat to nozzle on transportation capacity and fish injury in jet fish pumps[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2019, 35(9): 285-290.

[16] 杨雪龙, 龙新平, 肖龙洲, 等. 不同湍流模型对射流泵内部流场模拟的影响[J]. 排灌机械工程学报, 2013, 31(2): 98-102.

YANG Xuelong, LONG Xinping, XIAO Longzhou, et al. Influence of different turbulence models on simulation of internal flow field of jet pump[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2013, 31(2): 98-102.

[17] 肖龙洲, 蔡标华, 胡洋. 不同吸入角度环形射流泵回流区域研究[J].流体机械, 2020, 48(2): 48-52.

XIAO Longzhou, CAI Biaohua, HU Yang. Numerical investigation on the recirculation zone in annular jet pump at different angles of the suction chamber[J]. Fluid Machinery, 2020, 48(2): 48-52.

Numerically Simulating the Influence of Outlet Position and Diameter of Suction Pipe on Annular Jet Pump

LI Tongzhuo, YANG Zhipeng

(School of Mechanical and Power Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

jet pump; numerical simulation; the suction pipe; structure optimization

李同卓, 杨志朋. 吸入管出口位置及直径对环形射流泵影响的数值模拟[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(3): 63-68.

LI Tongzhuo, YANG Zhipeng. Numerically Simulating the Influence of Outlet Position and Diameter of Suction Pipe on Annular Jet Pump[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 63-68.

2021-09-09

国家自然科学基金项目（51774115）；河南理工大学动力工程及热物理学科基金资助项目（722403/020）

李同卓（1964-），男，山西翼城人。副教授，博士，主要从事射流技术及流场分析方面的研究。E-mail: kxwc@163.com

1672 - 3317（2022）03 - 0063 - 06

S277.9

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021434

责任编辑：韩 洋