液體射流泵內(nèi)流場的數(shù)值模擬

陳雨涵 何燕彬 李 蘭 崔曉云

（1.石家莊工大化工設(shè)備有限公司 2.河北省蒸發(fā)結(jié)晶及干燥工程技術(shù)研究中心）

射流泵與目前常用的機(jī)械混合設(shè)備相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、噪聲小、相間接觸面積大、傳質(zhì)速度快、便于綜合利用等優(yōu)點，近幾年被廣泛應(yīng)用于選礦、環(huán)保、化工、冶金等各工業(yè)領(lǐng)域。本文借助于CFDesign 9.0軟件平臺，基于有限體積法計算連續(xù)相控制方程，結(jié)合多相流模型中的流體體積模型 （VOF）以及可實現(xiàn)κ-ε湍流模型，對液體射流泵全流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。

1 計算模型及工作原理

本課題所模擬的射流泵結(jié)構(gòu)如圖1所示，液體入口直徑為40 mm，噴嘴出口直徑為18 mm，壁厚為10 mm，錐角為13.5°。此射流泵共包括噴嘴、混合室、喉管、擴(kuò)散管四部分，泵內(nèi)的工作流體和被吸流體都是液體，液體在噴嘴處的速度為20 m/s左右。其工作原理：一定壓力的工作液體通過噴嘴及孔板等以一定速度射出，在射流湍動擴(kuò)散作用下，吸入低壓液體。兩股不同壓力的流體在混合室（喉管）內(nèi)進(jìn)行能量和質(zhì)量交換，工作液體速度及壓力減少，被吸流體的速度增加。在混合室出口處兩股液體的流速逐漸接近，混合液體流經(jīng)擴(kuò)散管部分動能轉(zhuǎn)換為壓能，增壓后輸出。

設(shè)液體流與外界無熱量交換，其溫度不變；液體流為非定常湍流流動。根據(jù)液體射流泵的結(jié)構(gòu)特點，基于有限體積法[1]計算連續(xù)相控制方程，數(shù)值模擬采用流體體積模型 （VOF）及標(biāo)準(zhǔn)κ－ε湍流模型[2]，對壓力的離散采用 PRESTO（pressure staggering option）法，對動量方程采用一階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散，速度與壓力耦合采用SIMPLE算法，連續(xù)性方程的收斂準(zhǔn)則為10-3。計算過程中，壓力、動量、κ、ε等亞松弛因子都相對減小。

圖1 射流泵的結(jié)構(gòu)

本解析為非定常單相流流動，由于單相流解析區(qū)域內(nèi)按常規(guī)網(wǎng)格尺寸設(shè)定，我們將其設(shè)定為0.01 s；計算穩(wěn)定后為了減少計算時間必須增加t，較標(biāo)準(zhǔn)的方法是以50%的比率增加t，即0.014 s；待確認(rèn)由于t的突然變化產(chǎn)生的震擾消失之后，再次提高時間步長。

2 計算結(jié)果和分析

（1）軸向速度分布

由圖2可以看出，從噴嘴高速噴出的工作流體具有一個等速流核，而此時引射流體流速很低，在軸向剖面上由動力液到吸入液沿徑向軸向速度明顯呈臺階狀。由于黏性的存在，引射流體逐漸被加速，兩股流體逐漸混合，剖面上的軸向速度沿徑向開始逐漸趨于均衡。當(dāng)進(jìn)入到喉管中部以后，兩股流體充分混合成為一股流體，速度剖面呈現(xiàn)典型的管內(nèi)流動特點。當(dāng)進(jìn)入擴(kuò)散管時，可以看到由于過流斷面不斷擴(kuò)大、流速逐漸降低的過程。在圖3中，由于噴嘴噴射出的高壓流體帶走混合室中的部分氣體，使噴嘴周圍形成小范圍的負(fù)壓，導(dǎo)致側(cè)流液體以較大的速度被卷吸進(jìn)入混合室，并且在混合室的兩側(cè)和底部形成了回流。

圖2 t=100 s時的軸向速度云圖

（2）徑向速度分布

圖4～圖6為混合室、喉管和擴(kuò)散管內(nèi)液體的徑向速度分布。由圖4～圖6可見，引射流體在混合室上部的流速較大；工作流體與引射流體充分混合后，在喉管段流體的湍流核心區(qū)速度比較大，并隨著半徑的增大而減小；擴(kuò)散管段的核心區(qū)較喉管段有所減小，但分布規(guī)律不變，流態(tài)比較穩(wěn)定。

圖3 混合室的速度矢量圖

圖4 混合室的速度分布

圖5 x=300 mm處喉管的速度分布

圖6 擴(kuò)散管的速度分布

（3） 壓力分布

圖7 射流泵軸向壓力分布

圖8 混合室徑向截面的壓力分布

圖9 x=300 mm處喉管截面的徑向壓力分布

圖10 擴(kuò)散管入口的壓力分布

圖7～圖10給出了射流泵的軸向和不同徑向截面的壓力分布。根據(jù)圖7中射流泵內(nèi)部的整體壓力分布可知，噴嘴壓力較大，并在噴嘴出口形成小范圍的負(fù)壓。在喉管段壓力變化很大，射流核心區(qū)沿軸向逐漸減小，而且很紊亂。圖8為混合室的截面壓力分布。由圖8可見，引射流體在被吸入時混合室內(nèi)的壓力較低，當(dāng)流體被吸入充滿混合室時壓力有所升高，當(dāng)流體穩(wěn)定后壓力又逐漸下降，直至接近常壓。

圖9、圖10為喉管和擴(kuò)散管的壓力分布，當(dāng)壓力升高時射流核心區(qū)并不明顯，壓力分布毫無規(guī)律。流體流動穩(wěn)定后，壓力有所下降，并產(chǎn)生明顯的核心區(qū)域，壓力隨半徑的增大而減小。由于喉管和擴(kuò)散管內(nèi)流體流速逐漸降低，所以壓力明顯低于混合室及噴嘴。

速度流線圖如圖11所示。

圖11 速度流線圖

3 小結(jié)

（1）本文利用單相流流體體積模型，對單相射流裝置的內(nèi)部流體流動進(jìn)行了三維模擬。

（2）根據(jù)CFD和仿真思想，分析了不同瞬時三維射流泵 (噴射泵)內(nèi)速度與壓力的變化規(guī)律和分布，以及不同軸向位置處徑向截面上的速度和壓力場分布。在一定程度上展示了流場，得出了其射流流場特點。流動穩(wěn)定后，射流泵內(nèi)部流體在混合腔中會產(chǎn)生三個漩渦，但在喉管中流體充分混合后，速度和壓力的分布趨于穩(wěn)定。在擴(kuò)散管中，流體分布基本均勻，各項參數(shù)也基本穩(wěn)定，并隨半徑呈規(guī)律性分布。

（3）本文的模擬只是一個初步結(jié)果，在此基礎(chǔ)上深入分析噴射泵內(nèi)流體流動狀況,深刻認(rèn)識噴射泵內(nèi)的微觀機(jī)理，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，獲得最佳性能參數(shù)，對解決工程應(yīng)用中的一些實際問題具有重要的意義。

[1]楊燕勤，安志強(qiáng)，經(jīng)樹棟.噴射器流場的數(shù)值模擬研究[J].西南民族大學(xué)學(xué)報·自然科學(xué)版，2006，32(2)：316－323.

[2]李同卓，王瑞和，周衛(wèi)東，等.蒙特卡羅法模擬射流泵內(nèi)部流場的研究 [J].中國農(nóng)村水利水電，2007(5)：126－128.

[3]王建生，張尚先.淹沒磨料射流流場CFD仿真與結(jié)構(gòu)分析 [J].礦山機(jī)械，2007，35(7)：98－100.

[4]張黎，葉正寅，王剛.氧碘化學(xué)激光器射流數(shù)值模擬方法研究 [J].激光技術(shù)，2007，31(4)：344－327.

[5]劉紅，解茂昭，王德慶.液態(tài)金屬中氣體射流過程數(shù)值模擬研究 [J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2007,47(5)：654－656.