液体射流泵内流场的数值模拟

陈雨涵 何燕彬 李 兰 崔晓云

（1.石家庄工大化工设备有限公司 2.河北省蒸发结晶及干燥工程技术研究中心）

射流泵与目前常用的机械混合设备相比，具有结构简单、运行可靠、噪声小、相间接触面积大、传质速度快、便于综合利用等优点，近几年被广泛应用于选矿、环保、化工、冶金等各工业领域。本文借助于CFDesign 9.0软件平台，基于有限体积法计算连续相控制方程，结合多相流模型中的流体体积模型 （VOF）以及可实现κ-ε湍流模型，对液体射流泵全流场进行了三维数值模拟。

1 计算模型及工作原理

本课题所模拟的射流泵结构如图1所示，液体入口直径为40 mm，喷嘴出口直径为18 mm，壁厚为10 mm，锥角为13.5°。此射流泵共包括喷嘴、混合室、喉管、扩散管四部分，泵内的工作流体和被吸流体都是液体，液体在喷嘴处的速度为20 m/s左右。其工作原理：一定压力的工作液体通过喷嘴及孔板等以一定速度射出，在射流湍动扩散作用下，吸入低压液体。两股不同压力的流体在混合室（喉管）内进行能量和质量交换，工作液体速度及压力减少，被吸流体的速度增加。在混合室出口处两股液体的流速逐渐接近，混合液体流经扩散管部分动能转换为压能，增压后输出。

设液体流与外界无热量交换，其温度不变；液体流为非定常湍流流动。根据液体射流泵的结构特点，基于有限体积法[1]计算连续相控制方程，数值模拟采用流体体积模型 （VOF）及标准κ－ε湍流模型[2]，对压力的离散采用 PRESTO（pressure staggering option）法，对动量方程采用一阶迎风差分格式进行离散，速度与压力耦合采用SIMPLE算法，连续性方程的收敛准则为10-3。计算过程中，压力、动量、κ、ε等亚松弛因子都相对减小。

图1 射流泵的结构

本解析为非定常单相流流动，由于单相流解析区域内按常规网格尺寸设定，我们将其设定为0.01 s；计算稳定后为了减少计算时间必须增加t，较标准的方法是以50%的比率增加t，即0.014 s；待确认由于t的突然变化产生的震扰消失之后，再次提高时间步长。

2 计算结果和分析

（1）轴向速度分布

由图2可以看出，从喷嘴高速喷出的工作流体具有一个等速流核，而此时引射流体流速很低，在轴向剖面上由动力液到吸入液沿径向轴向速度明显呈台阶状。由于黏性的存在，引射流体逐渐被加速，两股流体逐渐混合，剖面上的轴向速度沿径向开始逐渐趋于均衡。当进入到喉管中部以后，两股流体充分混合成为一股流体，速度剖面呈现典型的管内流动特点。当进入扩散管时，可以看到由于过流断面不断扩大、流速逐渐降低的过程。在图3中，由于喷嘴喷射出的高压流体带走混合室中的部分气体，使喷嘴周围形成小范围的负压，导致侧流液体以较大的速度被卷吸进入混合室，并且在混合室的两侧和底部形成了回流。

图2 t=100 s时的轴向速度云图

（2）径向速度分布

图4～图6为混合室、喉管和扩散管内液体的径向速度分布。由图4～图6可见，引射流体在混合室上部的流速较大；工作流体与引射流体充分混合后，在喉管段流体的湍流核心区速度比较大，并随着半径的增大而减小；扩散管段的核心区较喉管段有所减小，但分布规律不变，流态比较稳定。

图3 混合室的速度矢量图

图4 混合室的速度分布

图5 x=300 mm处喉管的速度分布

图6 扩散管的速度分布

（3） 压力分布

图7 射流泵轴向压力分布

图8 混合室径向截面的压力分布

图9 x=300 mm处喉管截面的径向压力分布

图10 扩散管入口的压力分布

图7～图10给出了射流泵的轴向和不同径向截面的压力分布。根据图7中射流泵内部的整体压力分布可知，喷嘴压力较大，并在喷嘴出口形成小范围的负压。在喉管段压力变化很大，射流核心区沿轴向逐渐减小，而且很紊乱。图8为混合室的截面压力分布。由图8可见，引射流体在被吸入时混合室内的压力较低，当流体被吸入充满混合室时压力有所升高，当流体稳定后压力又逐渐下降，直至接近常压。

图9、图10为喉管和扩散管的压力分布，当压力升高时射流核心区并不明显，压力分布毫无规律。流体流动稳定后，压力有所下降，并产生明显的核心区域，压力随半径的增大而减小。由于喉管和扩散管内流体流速逐渐降低，所以压力明显低于混合室及喷嘴。

速度流线图如图11所示。

图11 速度流线图

3 小结

（1）本文利用单相流流体体积模型，对单相射流装置的内部流体流动进行了三维模拟。

（2）根据CFD和仿真思想，分析了不同瞬时三维射流泵 (喷射泵)内速度与压力的变化规律和分布，以及不同轴向位置处径向截面上的速度和压力场分布。在一定程度上展示了流场，得出了其射流流场特点。流动稳定后，射流泵内部流体在混合腔中会产生三个漩涡，但在喉管中流体充分混合后，速度和压力的分布趋于稳定。在扩散管中，流体分布基本均匀，各项参数也基本稳定，并随半径呈规律性分布。

（3）本文的模拟只是一个初步结果，在此基础上深入分析喷射泵内流体流动状况,深刻认识喷射泵内的微观机理，可以优化结构参数设计，获得最佳性能参数，对解决工程应用中的一些实际问题具有重要的意义。

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