螺旋流对环形射流泵性能影响的数值模拟_董景明.pdf

年第 卷 月第 期机 械 科 学 与 技 术 ：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：董景明（），副教授，硕士生导师，研究方向为船舶与海洋工程技术研究，董景明，杜贞钰，陈晨，等螺旋流对环形射流泵性能影响的数值模拟机械科学与技术，（）：螺旋流对环形射流泵性能影响的数值模拟董景明，杜贞钰，陈晨，徐国立（大连海事大学 轮机工程学院，辽宁大连）摘要：为了提高环形射流泵的输送效率，本文提出了一种利用导叶结构形成螺旋流的螺旋流环形射流泵。利用数值模拟的方法研究不同工作压力下的螺旋流环形射流泵和原型泵的速度、压力和湍动能分布计算结果，来分析螺旋流对环形射流泵的性能影响。数值模拟结果表明：在工作压力为 时，螺旋流使环形射流泵的流量比增加了，压力比降低了。螺旋流降低了环形射流泵喉管内的静压，更容易引起空化。螺旋流使得环形射流泵的效率在工作压力低于 时大于原型泵。螺旋流环形射流泵内具有更大的湍动能分布区域。随着工作压力升高，两种结构的环形射流泵湍动能分布差别减小。导叶阻力对螺旋流环形射流泵的效率有着重要的影响。关键词：环形射流泵；螺旋流；数值模拟；压力；速度；湍动能中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：（），（），：；射流泵是一种利用高压工作流体经喷嘴加速后卷吸低速流体来实现增压过程的流体机械。它具有结构简单、无运动部件、成本低廉、可靠性高的特点。典型的射流泵根据喷嘴位置的不同，可将射流泵分为中心射流泵和环形射流泵。中心射流泵的喷嘴置于中间，吸入管环绕在喷嘴外端；环形射流泵则相反，吸入管道置于中间，喷嘴环绕在吸入管外第 期 董景明，等：螺旋流对环形射流泵性能影响的数值模拟：端形成环形喷嘴，被吸流体通道通畅。因此，常被应用于钻进大直径水井中作为泵吸反循环钻进用泵、输送不同果蔬、降低井底压差、抽吸煤矿井中的井底积液、煤层气的开采以及煤粉的排采、海底管道挖沟、海洋牧场中鱼类的起捕和深海采矿中用射流泵海底扬矿等领域。但是由于环形射流泵的效率较低，使其应用受到一定的限制。近年来学者们主要从环形射流泵的结构开展研究，如喉管长度、喷嘴厚度、吸入室角度和面积比等方面。除此之外，其他学者还在环形射流泵基本结构之外进行了设计。徐茂森等设计了一种具有夹心喷嘴的环形射流泵，降低了工作流体壁面摩擦损失，通过数值模拟发现环形射流泵的效率从.提升到了.。邓晓刚等结合环形射流和自激振荡射流的优点，提出环形水气自激振荡脉冲射流的概念，通过模拟发现环形自激振荡射流对气体的卷吸作用比原型泵更强。等将环形射流泵的锥形吸入室与扩散室设计成流线型，通过数值模拟发现最大效率增大了.，并具有更大的高效区域。螺旋流是一种具有旋转流场的湍流运动，近年来已被广泛应用于各工程领域。螺旋流产生的方法有 种：导叶、切向进流和旋转管道。本文提出了一种利用导叶结构形成螺旋流的螺旋流环形射流泵，采用数值模拟的方法将螺旋流环形射流泵与其原型泵的性能进行对比，研究螺旋流对环形射流泵性能的影响。螺旋流环形射流泵结构螺旋流环形射流泵主要由工作流体管路、引射流体管路、环形喷嘴、锥形吸入室、喉管、扩散管、出口管及出口管内导叶构成，其结构如图 所示。图 螺旋流环形射流泵结构示意图螺旋流环形射流泵是在环形射流泵结构基础上在出口管处设计导叶结构使管内流体形成螺旋流动。螺旋流体具有一定的切向速度和径向速度，其螺旋流中心的压力降低，加大了泵的吸引力与提升力。螺旋流环形射流泵导叶结构参数包括导叶的长度、导叶角度、导叶数 等，如图 所示。螺旋流环形射流泵的具体尺寸如表 所示。图 导叶设计示意图表 螺旋流环形射流泵结构参数 结构尺寸吸入管直径 工作管直径 .喉管直径 出口管直径 .收缩角 （）扩散角 （）导叶数 导叶角度 （）导叶长度 数值计算方法 网格划分划分网格是离散化计算区域的过程，本质是用有限数目离散的点代替原来连续的流体域。因此，网格数量对环形射流泵数值模拟至关重要。由于加入导叶后，环形射流泵的结构为非对称结构，物理模型采用三维结构并以六面体结构化网格划分计算域。此外，对吸入室壁面边界层和混合层等径向速度梯度较大、流动状态复杂的区域进行了加密。网格划分情况如图 所示。图 网格划分机 械 科 学 与 技 术第 卷：湍流模型及边界条件假定环形射流泵内部的流动为定常不可压缩流动，湍流模型为 ，标准壁面函数处理壁面压力，压力与速度耦合方式为，采用 格式降低假耗散影响。工作流体与引射流体均为水，边界条件设置为压力入口、压力出口。保持引射流体入口压力 与出口压力.，改变工作流体压力 ，获得不同流量比（引射流体与工作流体流量之比）。当所有残差小于、进出口质量差别低于.时，认为达到收敛。网格无关性检验为了减少计算误差同时缩短模拟计算周期，在原型泵的喉管进口、出口和扩散管进口设置 个检测点，进行网格无关性检验，如图 所示。图 原型泵监测点位置表、表 和表 分别表示、和 处速度和压力随着网格数量变化而产生的误差，网格数量从 个增加至 个。从表 表 可以看出网格从 增加到 ，速度的变化小于.，压力误差小于.，网格数量对速度和压力的影响可忽略不计，故本文网格计算的数量控制在 。表 网格无关性检验（点）网格数 速度（）误差 压力 误差 .表 网格无关性检验（点）网格数 速度（）误差 压力 误差 .表 网格无关性检验（点）网格数 速度（）误差 压力 误差 .数值模拟结果与分析环形射流泵工作过程中两股流体接触混合，工作流体与引射流体快速地进行能量交换并伴随着较大的压力与速度变化。因此，衡量环形射流泵的性能好坏的参数主要为流量比、压力比 和效率，表达式分别为：（）（）（）（）（）式中：、分别为质量流量和总压；下标、分别为泵出口、喷嘴出口和吸入室入口位置。流量比分析流量比是引射流体质量流量与工作流体质量流量的比值，是衡量射流泵性能高低的重要指标之一。在相同工况下，流量比越大代表着射流泵的抽吸能力越强。图 为相同工况下螺旋流环形射流泵与原型泵的流量比对比。由图 可见，螺旋流环形射流泵具有更高的流量比，这种差距随着工作压力升高而减小。图 螺旋流环形射流泵与原型泵流量比对比图 为相同工作压力下螺旋流环形射流泵相比于原型泵的流量比增幅。最大增幅发生在工作压力为 时，螺旋流环形射流泵流量比增加了.；最小增幅发生在工作压力为 时，此时流量比仅增加了.。这表明随着工作压力的增加，螺旋流对环形射流泵的引射能力影响逐渐减弱。第 期 董景明，等：螺旋流对环形射流泵性能影响的数值模拟：图 螺旋流环形射流泵流量比增幅螺旋流使环形射流泵的内部流场发生变化，尤其是速度场中工作流体速度的增加导致了流量比的增加。为了研究螺旋流对环形射流泵性能的影响，选取了螺旋流环形射流泵与原型泵在 个工况条件下的速度分布进行对比分析，其结果如图 所示。图 不同工作压力下螺旋流环形射流泵与原型泵的速度分布对比 螺旋流环形射流泵与原型泵轴向速度分布趋势是一致的，工作流体从环形喷嘴高速喷出后，沿吸入室壁面向下游流动并逐渐向轴心扩展。两股流体在喉管末端或扩散管前端完成混合，然后在扩散管内进一步减速增压。随着工作压力的增大，工作流体在更长的区域内保持高速，并能达到更高的速度。当工作压力为 时，螺旋流环形射流泵的工作流体维持高速的区域大于原型泵。根据工作原理可知：工作流体速度越快，对引射流体的卷吸作用越强，引射能力也就越强。而此时螺旋流环形射流泵工作流体具有足够的速度引射被吸流体，原型泵的工作流体速度却不能产生足够的吸入室负压，吸入室存在较大的回流区，回流区会对泵的性能及内部流动状态产生较大影响。螺旋流环形射流泵能够在较低工作压力下缩小回流区的产生工况。当工作压力为 和 时，混合流体在扩散管后半部分还保持较高的速度，经由导叶诱导产生螺旋流。螺旋流使得出口管具有均匀的速度分布，使得两股流体混合程度较高，有利于物体输送。图 为螺旋流环形射流泵的流线图，展示了螺旋流的形成过程。当工作压力为 时，混合流体进入出口管沿导叶旋转，并不断向下游流动，螺旋流旋度逐渐增大。混合流体流至导叶长度 时，螺旋流碰撞导叶底部产生涡旋。混合流体继续向下游流动，导叶底部涡旋逐渐增大，最终在导叶末端与导叶诱导的轴心处涡旋结合，形成导叶之间的高速涡旋。随着工作压力增长到 ，在 处的导叶底部产生碰撞涡旋，并与下游轴心处的诱导涡旋结合，在导叶之间形成高速涡旋。当工作压力为 时，碰撞涡旋提前产生在 处的导叶底部，在 时两种涡旋结合，在下游处形成高速涡旋。随着工作压力的升高使混合流体速度增加，流体与导叶碰撞产生的涡旋发生处越来越靠近导叶前端，碰撞涡旋与轴心诱导涡旋的结合也不断靠前。图 螺旋流环形射流泵的流线图 压力比分析压力比是射流泵压力与工作压力的比值，也是衡量射流泵性能高低的主要指标之一。相同工作压力下，压力比越大，射流泵的提举能力越强。图 为同工况下螺旋流环形射流泵与原型泵的压力比对比。机 械 科 学 与 技 术第 卷：图 螺旋流环形射流泵与原型泵压力比对比由图 可见，螺旋流环形射流泵与原型泵的压力比同样具有一致的变化趋势。螺旋流环形射流泵的压力比比原型泵的更低，这种差距随着工作压力的增加逐渐减小。如图 所示，压力比最大降幅发生在工作压力为 时，螺旋流环形射流泵压力比比原型泵降低了.；最小降幅发生在，螺旋流环形射流泵压力比降低了.。工作压力小于 时，两种结构射流泵压力比差别较大；工作压力大于 时，压力比差距小于。因此，螺旋流的产生降低了环形射流泵的压力比，在需要较大提举能力的工作中应尽量避免螺旋流的产生。图 螺旋流环形射流泵压力比降幅为了研究螺旋流对环形射流泵提举能力的影响，对螺旋流环形射流泵与原型泵压力场进行了对比。如图 所示，在工作压力为 、和 下，螺旋流环形射流泵与原型泵的静压分布云图。两种射流泵由于压力分布的全局性而在相同的轴向位置处较为均匀一致，仅在喉管内有明显差异。当工作压力为 时，原型泵的喉管内静压已经达到 ，而螺旋流环形射流泵喉管进口静压只有 ，并在吸入室与喉管结构突变处由于较高的工作流体速度产生了低压区。图 不同工作压力下静压分布对比当工作压力升至 时，喉管内整体静压处于 。但是相比于原型泵，螺旋流环形射流泵在吸入室与喉管交界处的低压区范围更为大，并且在喉管与扩散管结构突变处产生低压区。当工作压力为 时，螺旋流环形射流泵喉管内的静压为 ，而原型泵喉管内前半部分静压处于 ，喉管出口部分为 。总之，螺旋流环形射流泵内部，特别是喉管内的压力分布要比原型泵低，但是随着工作压力增大，喉管与吸入室、扩散管接缝处压力也会越低，越容易发生汽蚀。为了更为直观的研究射流泵内部压力的变化规律，定义无量纲压力系数为 （）式中：为射流泵流场内任一点压力；为环形喷嘴出口处断面平均压力；为喷嘴出口处工作流体平均流速的轴向分量。图 为不同工作压力下流场内轴心线处压力系数分布曲线。图 不同工作压力下轴线处压力系数分布第 期 董景明，等：螺旋流对环形射流泵性能影响的数值模拟：由图 可见，当工作压力为 时，螺旋流环形射流泵与原型泵轴心处压力系数在喉管内迅速增长，整个流场内的压力沿着流线方向逐渐升高。螺旋流环形射流泵在吸入管内具有更低的压力系数，但是在喉管内具有较大的升压幅度。这表明在较小的 下，喉管内的升压幅度可能大于扩散室。工作压力增加到 与 时，两种结构的压力系数在喉管内形成明显低谷，喉管轴心处压力均匀过渡且低于两端。螺旋流环形射流泵喉管内压力系数远低于原型泵，更低的压力有利于引射流体，但是压力损失也越大，压力比越小，流体能量损失也越多。流场中能量损失包括沿程损失和局部损失等，局部损失与射流泵结构参数相关，吸入室与喉管结构突变处、喉管与扩散管结构突变处以及导叶会导致流场中流速分布和压强分布发生剧烈变化，造成能量损失。沿程损失与壁面粗糙度和射流流速有关，随着流速的增大而能量损失增多。因此随着工作压力的增加，螺旋流环形射流泵的能量损失会远大于原型泵，当工作压力大于 时，效率会低于原型泵。效率分析效率是引射流体得到的有用功率与工作流体付出的功率比值，环形射流泵工作过程中涉及两股不同压力的射流的混合，流动复杂，产生了较大的能量损失，因