噴管結構對環形射流泵流場的影響

熊 順，陳云良，向偉寧，徐 永

（四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室、水利水電學院，四川 成都 610065）

0 引 言

射流泵是一種利用高速工作液作為動力、基于射流剪切和湍動擴散作用對流體進行抽吸、混合和輸運的流體機械設備，相比于其他泵類機械，該設備沒有運動部件，具有結構緊湊、加工制造簡單、安全可靠等優點，廣泛應用于市政［1］、核能［2］、水利［3］等領域。射流泵可分為中心射流泵［4］和環形射流泵［5］，中心射流泵的噴嘴位于裝置中間，工作液從中間的工作管入射進入吸入室，卷吸環繞于噴嘴的被吸液；環形射流泵則相反，其噴嘴呈一側貼近壁面的環形，工作液從環形噴嘴射入，卷吸位于中間的被吸液。與中心射流泵相比，環形射流泵的吸入管、喉管和擴散管的軸線重合，被吸液的過流通徑更大，因此適用于輸送較大體積的固體物質，如活魚、農產品等［6，7］，具有重要的研究價值。

不少學者對環形射流泵的結構尺寸和工作性能進行了數值模擬研究。YANG 等［8］研究了環形射流泵基于等速度變化和等壓力變化設計的喇叭形擴散管，發現均較錐型擴散管的壓力梯度更平穩、更均勻；龍新平等［9］研究了環形射流泵喉管長度對其效率的影響，認為喉管長度與喉管直徑之比處于2.17～2.89時，效率較高；WANG 等［10］通過數值模擬的方法，對比了流線型環形射流泵與常規環形射流泵的基本性能，發現當流量比大于0.3 時，前者的效率較后者最大可提高1.2%。XIAO 等［11］利用Realizablek-ε模型研究了吸入室收縮角對環形射流泵性能的影響，發現當吸入室收縮角為20°時性能趨于最佳。

目前，研究主要集中于對吸入室、喉管、擴散管等的優化，在進行數值模擬時均將噴管計算模型簡化，假定噴嘴工作液速度沿環周對稱、均勻分布，沒有考慮工作管如何銜接噴管以及噴嘴出口結構對流場的影響，缺乏對環形射流泵噴管結構的研究和探討。從部分實驗資料來看［6，12］，通常采用直三通連接工作管與環形噴嘴，即工作管需要經過直角轉向流動，在空間上一般為單側管入流，這必將導致環周不均勻流動。對于噴嘴出口結構，中心射流泵相關研究表明［13，14］，噴嘴出口增設（0.25～0.5）倍噴嘴出口直徑的平直段，將有利于流場分布、改善性能，還未見有關環形射流泵噴嘴出口結構的研究報道。因此，對環形射流泵幾何結構的研究是不全面的，缺乏包括完整噴管的全域三維流場分析。工作液流速高、壓力大，噴管結構將直接影響環形射流泵的水力條件，應將噴管結構作為評判環形射流泵性能的重要組成部分。

本文對噴管直角轉彎和弧形轉彎的環形射流泵進行數值模擬，對比分析兩者的流動特性、性能指標等，計算研究環形噴嘴出口直段長度對環形射流泵流場的影響，給出合適的設置值。研究成果可為環形射流泵噴管結構設計提供科學依據和技術參考。

1 模型及計算方法

1.1 幾何模型

環形射流泵噴管進口連接工作管，噴管結構包括噴管銜接段、噴管直段和環形噴嘴三個部分。根據實際應用中噴管銜接段形狀的不同，本文定義噴管直角轉彎（目前通常應用）和弧形轉彎兩種環形射流泵（如圖1）。結合環形射流泵結構優化的相關成果，參考WANG［15］的幾何模型，擬定環形射流泵的結構尺寸見表1，面積比為2.22，喉管長徑比Lt/Dt為2.5。其中：Dj為噴管進口/工作管的直徑，Ds為被吸管的直徑，Lj0為噴管直段長度（Lj0/Dj= 1.2），Lj為環形噴嘴長度，Lc為喉嘴距，α為吸入室收縮角，Dt為喉管直徑，Lt為喉管長度，β為擴散管擴散角，Dd為出水管直徑。擬定噴管弧形轉彎半徑r為100 mm（r/Dj= 1）、轉角θ為120°，環形噴嘴出口壁厚δ為2 mm。

圖1 環形射流泵結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of annular jet pump structure

表1 模型各結構尺寸表Tab.1 Size table of each structure of the model

1.2 計算域網格劃分

以喉管進口中心為原點建立三維模型，運用ICEM 軟件對幾何模型進行離散，為了兼顧計算時間成本和計算精度的要求，根據環形射流泵的流動特點，對不同的結構部位采用不同的網格疏密程度。從環形噴嘴出口附近到喉管入口這一部分，由于流速梯度大，高速工作液流入后與被吸液發生劇烈的能量、動量和質量交換，這種劇烈的紊流剪切運動會造成較大的能量損失，所以對這一部分進行加密處理，然后由該區域向兩側均勻變疏。此外，為了提高計算的準確性，對靠近壁面的區域進行加密處理，噴管銜接段的網格采用非結構網格，其他區域均采用結構網格。劃分了網格數約為80 萬、160 萬和320 萬的三套網格，160 萬與320 萬網格的計算結果幾乎相同，故網格數采用160萬，網格如圖2所示。

圖2 計算網格Fig.2 Computational mesh

1.3 CFD設置

本文采用Realizablek-ε雙方程紊流模型對環形射流泵進行數值模擬，采用Coupled 算法和二階迎風格式離散。該數值模擬方法計算的可靠性，已經得到了相關研究資料［7-10，16］的驗證。

為了保證來流的穩定，工作管長度延伸5Dj，工作液進口設置為速度入口，速度方向與進口面垂直；被吸管段長度延伸10Ds，被吸液進口設置為壓力入口，相對壓力為0；為了保證流場出口的穩定，在擴散管后延伸5Dd的出水管，混合液出口設置為壓力出口；固壁均為無滑移壁面，采用Scalable 壁面函數進行處理。保持工作液進口流速為1.3 m/s，被吸液進口設置相對壓力為0，通過改變出口相對壓力從0～90 kPa 來獲得不同的流量比工況。

2 噴管銜接段

2.1 流動特性分析

圖3 是q=0.5 時z=0 截面速度矢量圖。由圖3 可以看出，噴管銜接段對流場有較大影響，噴管直角轉彎的兩側形成了范圍較大的回流區，特別是在下游處，水流由于轉向突變成為急變流，產生壁面脫流現象，形成漩渦區，存在較大的局部水頭損失；噴管弧形轉彎時，水流平順過度，可有效減少能量損失。

圖3 z=0截面速度矢量圖（q=0.5）Fig.3 Velocity vector of z=0 section（q=0.5）

為了探究工作液流經兩種不同的噴管銜接段直到環形噴嘴出口前的流速分布變化差異，分別取噴管直段中部x=-220 mm 截面，環形噴嘴中部x=-107 mm 截面，環形噴嘴出口附近x=-43.5 mm 截面，采用動量修正系數λ衡量不同流量比下各截面速度分布的均勻性［17］。

式中：A為計算截面面積；u為合速度；-v為計算截面質量平均速度。

圖4 反映了兩種環形射流泵在3 個計算截面內的動量修正系數隨流量比的變化，可以看出，λ幾乎不受流量比的影響。在相同的截面位置，噴管弧形轉彎的環形射流泵的λ值更接近于1，說明其速度分布更加均勻。兩者在噴管直段中部截面的λ值有著顯著差異，說明弧形銜接段能有效平順水流，改善橫截面的流速分布。隨著截面面積的減小，雖然兩者λ值的差距也逐漸減小，但此時兩者截面流速分布在空間上仍然存在著明顯差異。

圖4 動量修正系數隨流量比的變化圖Fig.4 Change of momentum correction coefficient with flow ratio

圖5 展示了流量比q為0.5 時3 個截面的速度分布云圖，可以清晰看到，噴管弧形轉彎的環形射流泵的流速分布十分均勻，而噴管直角轉彎時出現了環周分布不均的現象，尤其是在y軸正向附近出現明顯的低流速區，即使是在λ值較低的環形噴嘴出口，如圖5（c）中的虛線矩形處，上述現象仍舊明顯。綜合來看，在環形噴嘴對水流的收縮作用下，截面流速整體的均勻性會得到一些改善，但是噴管直角轉彎所造成的局部低流速區仍然存在。環形噴嘴出口寬度小，流速高，環周分布不均的流速必然影響下游流場。

圖5 3種截面的速度分布云圖（q=0.5）Fig.5 Velocity contour at three cross sections（q=0.5）

為了進一步探究工作液通過環形噴嘴后的流動特性，圖6給出了噴管弧形轉彎的環形射流泵（下文簡稱“前者”）和噴管直角轉彎的環形射流泵（下文簡稱“后者”）從噴嘴出口到出水管不同位置橫截面的流速分布，圖7 為兩者在z=0 截面的流速分布。可以看出，射流經環形噴嘴貼壁高速流動，高速流核沿流程逐漸衰減，隨著流量比的增大，兩種射流泵的流核最終衰減點的位置均向下游移動。如圖7 所示，以y軸正向為上，z=0截面分為上下兩個壁面，前者上下壁面附近流核的衰減過程沿喉管中軸線對稱分布，而在后者z=0截面上，黑色箭頭表示上壁面流核最終衰減點位置，白色箭頭表示下壁面流核最終衰減點位置，可以看出上下壁面流核最終衰減點在x方向的位置有較大差異，且隨著流量比的增大，這種差異也增大。如圖7中的紅色矩形框所示，水流進入擴散管后，前者一直保持著環周對稱的減速增壓流動，而后者呈現出上壁面為高速區，下壁面為低速區的情形。從圖6 中兩者相對應的截面也可以明顯看出，在兩種不同流量比工況下，后者均出現流速環周分布不均的現象。綜合來看，環形噴嘴不均勻的入流會影響后續整個流場，造成流速環周分布不均，而弧形轉彎對環形噴嘴處的均勻出流和擴散管處的均勻擴散起到了顯著的優化作用。

圖7 z=0截面速度分布云圖Fig.7 Velocity contour at z=0 section

為了探究噴管結構對工作液與被吸液混合程度的影響，圖8給出了噴管弧形轉彎的環形射流泵和噴管直角轉彎的環形射流泵在兩種流量比下的湍動能分布圖。可以看出，兩種射流泵在喉管處的湍動能均較大，但如黑色矩形框標記的區域所示，前者的高湍動能區關于喉管中軸線對稱分布，而后者的高湍動能區明顯偏向下壁面，說明前者在喉管處工作液與被吸液混合更均勻。隨著流量比的增大，高湍動能區的范圍逐漸減小，并從喉管向擴散管移動，兩者之間的混合均勻差異逐漸減小。然而，如紅色橢圓虛線框標記的區域所示，流體在擴散管的減速增壓作用下，后者的高湍動能尾跡開始偏向上壁面，隨著流量比的增大，尾跡逐漸向下游延伸，且偏向上壁面的程度逐漸加大，而前者的高湍動能尾跡沿擴散管中軸線對稱分布，說明噴管弧形轉彎的環形射流泵更有利于擴散管內流體的均勻傳能。

圖8 z=0截面湍動能分布云圖Fig.8 Turbulent kinetic energy contour at z=0 section

2.2 性能分析

環形射流泵的工作參數包括流量比q，壓力比h，效率η，分別定義如下：

式中：下標j、s、c分別代表工作液、被吸液、混合液；Q表示流量，L/s；p表示斷面平均壓強，單位：kPa；v表示斷面平均流速，單位：m/s；z表示安裝高度，m；本文考慮了噴管銜接段作為環形射流泵的組成部分，pj、vj取自工作管進口截面。

圖9為兩種射流泵的性能曲線，在不同流量比工況下，相比噴管直角轉彎的環形射流泵，噴管弧形轉彎時壓力比和效率均有所提升。原因有兩點，第一，直角銜接優化為弧形銜接后，噴管局部水頭損失減小；第二，弧形銜接可以平順水流，使得工作液到達環形噴嘴前，流速在空間上接近環周對稱、均勻分布，有利于射流傳能。

圖9 性能曲線Fig.9 Characteristic curve

3 環形噴嘴出口直段

3.1 流動特性分析

以弧形噴管的環形射流泵模型為研究對象，出口寬度B不變（面積比不變），環形噴嘴的出口壁厚δ不變，改變環形噴嘴出口直段的長度L，如圖10 所示，得到四種不同出口直段長度的環形噴嘴。

圖10 環形噴嘴出口直段結構Fig.10 Annular nozzle outlet straight section structure

圖11 展示了環形噴嘴不同直段長度下的回流區和速度分布圖，可以看出，在低流量比工況下，與不加直段的環形噴嘴相比，加設直段后的回流區在橫向和縱向的延伸范圍均有明顯減小，而直段的長度對回流區的大小幾乎無影響。從速度分布可以看出，不加直段時，射流流核速度較高，而加設直段后，隨著直段長度的增加，流核的速度逐漸減小，這是由于工作液經環形噴嘴的收縮作用已經具有很高的流速，直段越長，高速流體損失的能量越大。隨著流量比的增加，回流現象逐漸消失，流核的長度逐漸增加。綜合來看，在中低流量比工況下，總能量損失由回流損失和直段增加的損失兩部分構成，而回流現象造成的損失占主導，故噴嘴直段可有效提高效率，隨著流量比的增加，回流現象逐漸消失，因此，在大流量比工況下直段對效率總體影響小。

圖11 回流區和速度云圖Fig.11 Recirculation zone and velocity contour

圖12為環形噴嘴出口不同直段長度下，吸入室、喉管、擴散管和出水管的壁面壓力系數分布，其中壁面壓力系數Cp的定義如下：

圖12 壁面壓力系數分布圖Fig.12 Wall pressure coefficient distribution

式中：p為壁面壓力；pj為環形噴嘴出口壁面壓力；uj為環形噴嘴出口工作液的平均速度。

由圖12可以看出，有直段時，在低流量比工況下，環形射流泵噴嘴出口附近及吸入室的壁面壓力幾乎不變，隨著流量比的增加，該結構處的壁面壓力系數開始下降，但下降趨勢較為平緩，且直段的長度對曲線走勢無明顯影響。無直段時，兩種流量比工況下環形射流泵噴嘴出口附近均出現壁面壓力系數急劇降低的情況。此外，在喉管入口處，由于工作液在近壁面流速較高，發生脫流現象，所以產生了局部低壓，與無直段相比，加設直段后壓降的幅度有所減小。四種環形噴嘴出口直段長度下的喉管、擴散管和出水管的壁面壓力系數分布曲線走勢相似，但無直段時整體壁面壓力系數較低。

3.2 性能分析

圖13 為環形射流泵在環形噴嘴不同出口直段長度下的效率特性曲線，由圖13可以看出，在中低流量比工況下，與無直段相比，具有直段的環形噴嘴效率較高，其中L/B=0.5～1.0 提升效率的效果基本相同，最高可提升1%；隨著直段長度進一步增加直段產生的損失增加，效率提升減弱，而隨著直段長度減小，極限流量比會隨之減小。在較高流量比工況下，環形噴嘴出口有無直段對效率的影響很小。綜合考慮效率和正常工作范圍，推薦L/B的取值范圍為0.5～1。

圖13 效率特性曲線Fig.13 Efficiency characteristic curve

4 結 論

實際應用中環形射流泵的噴管銜接段通常為直角三通，分別接工作管和噴嘴，目前，缺乏對包括噴管在內的全域流場探討。本文對噴管直角轉彎與弧形轉彎開展三維數值模擬，計算不同環形噴嘴出口直段長度，分析噴管結構對環形射流泵流場的影響，得出如下結論。

（1）噴管直角轉彎處存在范圍較大的回流區，造成局部水頭損失增大；而弧形轉彎能更好地平順水流，減小能量損耗，在不同流量比工況下，噴管弧形轉彎的環形射流泵具有更高的流量比和效率。

（2）噴管直角轉彎時，環形噴嘴計算截面動量修正系數較大，流速分布不均；喉管和擴散管處的流速與湍動能分布環周不對稱。噴管弧形轉彎時，流場在空間上基本呈環周對稱、均勻分布，有利于工作液與被吸液進行均勻混摻和能量交換。

（3）環形噴嘴出口直段長度對環形射流泵的性能有影響。設計較短會導致正常工作范圍減小，設計較長會導致效率降低，當直段長度取（0.5～1）倍環形噴嘴出口寬度時可以有效提高效率并維持較大的正常工作范圍，在中低流量比工況下，效率最多可提高1%。

（4）環形噴嘴增設直段后能減小回流區的范圍，而直段的長度對改變范圍的程度無明顯影響，此外，增設直段可以平穩環形噴嘴出口壁面的壓力，提高射流泵整體的壁面壓力系數，減小喉管入口處壓降的幅度。