射流泵在放射性廢液輸送中的應用研究

付興亮　徐琰

【摘 要】射流泵是一種利用工作流體的高速射流來輸送流體的設備，本文介紹了將射流泵用于含泥漿放射性廢液提取和輸送的工藝方案，并用CFD模擬的方法對其中的關鍵設備射流泵進行優化設計和選型。通過模擬不同結構參數和邊界條件下射流泵內部流場的分布，選擇最佳的結構參數和工作參數，為將該技術應用到工程實踐中提供支持。

【關鍵詞】放射性廢液；提取和輸送；射流泵；數值模擬

0 引言

目前國內已有一定規模放射性廢液輸送的工程經驗，但尚無大型放射性貯槽倒空的先例，為了實現大型放射性廢液貯槽倒空，需要對含泥漿廢液的提取和輸送工藝及關鍵設備進行充分的研究和驗證。射流泵具有沒有內部運動部件、結構簡單、無泄漏、無液位限制、易于加工等特點，當工作液體和引射液體為同一種液體時，射流泵工作過程中不產生廢氣、不增加廢液，所以在放射性流體輸送方面有獨特的優越性[1，2]。但是，目前國內尚無射流泵在放射性廢液輸送工程中應用的先例。本文介紹了大型放射性廢液貯槽中含泥漿廢液的提取和輸送方案，并采用CFD數值模擬方法對關鍵設備射流泵進行研究，CFD模擬可部分減少射流泵研制過程中水力學結構尺寸的反復，縮短設計和驗證周期。

1 射流泵裝置原理

射流泵裝置主要由射流泵與為其提供動力的工作離心泵組成，原理見圖1。

圖1 射流泵裝置原理示意圖

射流泵是一種利用工作流體的高速射流來輸送流體的設備。射流泵的工作原理是工作液體從動力源（如：工作離心泵）沿壓力管路引入噴嘴，在噴嘴出口處由于射流和被引射流體之間的粘滯作用，把噴嘴附近的空氣帶走，使噴嘴附近形成真空，在外界大氣壓力作用下，引射液體從吸入管路被吸上來，并隨高速工作液體一同進入喉管內，在喉管內兩股液體發生動量交換，工作液體將一部分能量傳遞給引射液體，到達喉管末端兩股液體的速度漸趨一致，然后進入擴散管，在擴散管內將大部分動能轉化為壓力能，最后從排出管排出。

工作離心泵為射流泵提供高速工作流體，其選型應以射流泵的工藝參數要求為依據，通過對射流泵裝置進行系統設計和驗證，可使其具有抽吸泥漿和長距離輸送的功能。

2 射流泵數值模擬研究

2.1 射流泵設計

本文在國內外對射流泵研究和應用的基礎上，用索科洛夫的噴射器理論進行射流泵的結構設計。射流泵的主要結構參數包括射流泵噴嘴與喉管面積比、喉嘴距、混合段長度等，其主要工作參數為出口壓力和工作流體壓力等。本文主要考察噴嘴出口與喉管面積比對射流泵性能的影響，三個射流泵模型的噴嘴出口直徑均為6mm，喉管直徑分別為10mm/12mm/15mm，噴嘴喉管面積比分別為2.78/4.00/6.25。

2.2 射流泵結構數值模擬

2.2.1 研究方法

本文用GAMBIT軟件進行建模和網格劃分，采用FLUENT作為求解器，采用軸對稱旋轉體，k-ε湍流模型，工作流體和引射流體入口采用壓力入口邊界，混合流體出口采用壓力出口邊界。

2.2.2 模擬結果分析

（1）壓力分析

計算結果表明，工作流體經過縮放噴嘴加速后壓力降低，在噴嘴出口處產生負壓區，且負壓值低于被引射流體的吸程，可對引射流體產生卷吸作用。喉管直徑越小，噴嘴處的負壓值越低。在喉管和擴散管中混合流體壓力逐漸升高，出口管中壓力值穩定。當噴嘴直徑相同時，喉管直徑越大，吼管內壓力升高越快。

（2）流速分析

射流泵內部的速度分布見圖2，從圖中可以看出工作流體經過噴嘴噴出后形成高速射流，在壓力差的作用下，高速射流與低速引射流體發生混合和動量交換，在混合室中混合流體得到充分發展，兩種流體速度漸趨一致，在喉管中基本完成混合過程，喉管直徑越大，混合越充分。射流泵中速度最大值隨著喉管直徑增大而減小。

（1）喉管直徑10mm

（2）喉管直徑12mm

（3）喉管直徑15mm

圖2 速度分布圖

（3） 流量分析

表1為各個射流泵噴嘴、吸入口及出口流量，從表中可以看出喉管直徑增大，吸入口流量及流量比均減小，但是變化不大。

綜合上述分析，由于三種結構的射流泵吸入口流量差別不大，但是射流泵3的流速最大值較小，為了防止射流泵內出現空化，射流泵3為最佳選擇。

2.3 工作流體壓力計算

為了確定射流泵噴嘴入口壓頭，為其選擇配套的工作離心泵，本文模擬了射流泵3在噴嘴入口壓力分別為80m、100m和120m液柱時的流場。

表2為三種噴嘴入口壓力下的射流泵進出口流量，從表中可以看出，噴嘴入口壓力為100m液柱時吸入口流量和流量比均最佳，但是當噴嘴入口壓力為120m液柱時，噴嘴流速最大值接近空化速度。所以，噴嘴入口壓力為100m時該射流泵的引射效果最好。

3 結論

本文研究了用于大型放射性廢液貯槽倒空的系統裝置，用索科洛夫理論設計了該裝置的關鍵設備射流泵，用CFD方法模擬了不同結構射流泵在設計操作參數下的流場分布，通過壓力、流速和流量分析可知設計的射流泵可滿足含泥漿廢液提取要求，喉管直徑為15mm的噴射泵在噴嘴壓頭為100m液柱高度時引射比最佳，與其配套工作離心泵的額定壓頭應為75m液柱高度。建議后續繼續采用數值模擬的方法對射流泵水力學結構進行進一步改進和優化，并采用試驗方法對模擬結果進行驗證，從而提高設計的可靠性。

【參考文獻】

[1]索科洛夫.噴射器，科學出版社，1977，155-226.

[2]沈衛海.離心-射流泵裝置的研制，通用機械，2003，第6卷：設計與開發欄目.

[3]李棟.煤礦俯孔排水排渣射流泵優化設計及實驗研究，重慶：重慶大學，2012：5-24.

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[5]陸宏圻.噴射技術理論及應用，武漢大學出版社，2004，56-268.endprint