清淤射流泵流场数值模拟及其参数对性能影响分析

倪其军 ， 阮文权

（1.江南大学，江苏 无锡 214122；2.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

0 引 言

清淤喷射泵是安装在清淤船上用来清除河流底部淤泥的关键装置，其性能直接影响清淤的效果和效率。目前，不管是绞吸式、耙吸式还是其他一些水下吸泥装置均依靠进口处的低压吸入淤泥，因此其吸泥能力以及对淤泥的搅拌能力受到了进口速度的限制，通常需要特定的旋转盘或者高速射流来辅助增加进口速度，以用来将淤泥冲刷掉。喷射泵结构参数以及内部流体流动特性对其性能有直接影响，已成为该领域的研究重点[1-4]。

许多学者采用CFD技术研究喷射泵内部流动特性，进而开展喷嘴旋转叶片等设计。关玉慧等[5]利用CFD方法对单闭式、单半开式、双半开式三种不同叶轮结构的旋喷泵内部流场进行三维数值模拟，得到三种模型的压力场、速度场，分析了三种喷泵水力模型的性能特征，用于设计方案的优选。陈宁等[6]基于CFD对不同工况下的叶轮叶片、流道等参数进行压力、速度分析，得到以下结论：随着叶片数的增加，在相同工况下，叶片表面的压力分布逐渐均匀，叶轮内液流流动相对流畅，水力损失降低；叶片数的增加，增加了液流与叶片之间的摩擦，使泵的效率降低。龙新平等[7]采用基于RANS的数值方法计算了不同扩散角下某型喷射泵的性能，对轴线速度、沿程压力及扩散管进出口的动能与动量修正系数进行了计算与分析。从公开发表的文献来看，目前研究的喷射泵主要集中于其他应用领域，对污泥清淤泵的研究涉及较少。

文中清淤泵采用射流形式的吸头，利用流体力学的Coanda效应（沿切于壁面方向或者近于切向，向外喷射流体，流体将贴着其附近的固体壁面而流动），避免使用机械旋转部件，可有效防止清淤过程中淤泥扩散对水体造成的二次污染。由于该泵结构复杂，其形式涉及多个参数，且直接影响射流泵的性能，因此本文采用基于RANS方程的CFD数值模拟方法对该清淤射流泵内部流动特性进行了分析。首先介绍了清淤射流泵流场的数值模拟方法，之后针对三个射流泵方案，分别开展了不同进口压力时射流泵流场数值模拟，获得了射流泵的主要性能，给出了射流泵的流动机理，分析了喷口尺寸、内部结构、进口压力等关键参数对射流泵作业效能的影响规律。

1 数值模拟方法

1.1 数学模型

采用RANS方程对清淤射流泵内部的流场进行数值求解。不可压缩流体连续方程与RANS方程为：

选择RNGk-ε湍流模型，动量方程采用有限体积法（FVM）进行离散。对流项采用二阶迎风差分格式，扩散项采用中心差分格式。代数方程的求解使用的是Gauss-Seidel迭代方法。选用流场中经典的SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations）算法处理压力速度耦合问题。

1.2 计算对象及网格划分

清淤射流泵是安装在清淤船上用来清除河流底部淤泥的装置。清淤射流泵结构尺寸设计对其清淤效果至关重要。三维射流泵可以简化成二维的轴对称结构，如图1所示。其中有2个间隙，分别为上喷口间隙和下喷口间隙，其直径的大小是结构设计中的关键尺寸。

给定进口一个压力值，水在高压泵的作用下流向底部并从两个狭小的间隙处喷出，下喷口的射流对淤泥进行扰动，并由上喷口射流的低压及流速将淤泥浆吸入泵中心出口管道，最终从输出口输出淤泥，完成清淤的目的。由于淤泥这种介质很难定义，在数值模拟过程中采用水来代替，文献[8] 中射流泵清水池与淤泥水池试验的结果表明：相同初始条件下射流泵在清水池中的进口流量和出口流量与淤泥水池中基本相同，验证了这种替换的可行性。

清淤射流泵流场计算域如图2所示。进行数值计算前需要对计算域划分网格，而在划分网格前，对计算域进行分块可以有效地控制网格的质量和网格数量，有利于生成相对正交的四边形网格。图3是网格划分示意图，整个区域的网格数约为8万。

图1射流泵二维剖面示意图Fig.1 Two-dimensional profile diagram of jet pump

图2射流泵计算域Fig.2 The computational domain of jet pump

图3射流泵网格划分示意图Fig.3 The mesh of jet pump

流场计算区域的进口设为高压泵给定的压力进口，输出淤泥口设为压力出口，给定静压大小。对称轴设为轴对称轴，河流底部设为物面无滑移条件。边界1设为压力进口，压力与远方压力相同，边界2设为物面无滑移条件。用所有边界条件的平均值来初始化整个流场。

2 计算方案及其结果分析

2.1 计算方案

为了研究清淤射流泵进口处压力与出口流量大小之间的关系，以及射流泵喷口尺寸、内部结构、流量大小、压力等关键参数对作业效能的影响，分析不同射流泵方案的流场特征，文中选择三个射流泵设计与作业方案（Case 1、Case 2和Case 3），分别开展不同进口压力条件下的射流泵流场数值模拟，方案的主要尺寸见表1所示，参数的定义见图4。三个方案，构件2与底部的距离逐渐增加，出口半径也逐渐增大，上喷口间隙Case 3与Case 1、Case 2不同，其他尺寸相同。

图4射流泵参数定义Fig.4 Definition of jet pump parameters

表1三个方案主要参数尺寸Tab.1 Main parameter size of three cases of jet pump

2.2 计算结果及其分析

Cases 1～3不同进口压力时各主要参数（流速和流量）的计算结果分别见表2~4。表中给出了下喷口流量Q下、上喷口流量Q上、出口总流量Q、底部剖面的速度Vh。对于清淤射流泵来说，由下喷口转弯往上喷口方向去的速度越大，便越有利于污泥的清除，在淤泥与射流水介质能充分混合的前提下，泵中心出口通道单位时间内的流量（扣除上喷口流量）越大，清淤效率越高。为了分析射流泵的作业效能，文中定义了泥水流量Qh为出口总流量Q减去上喷口流量Q上（即下喷口流量及其对底部扰动后流出的流量），用QhVh（泥水流量与底部剖面速度的乘积）表征射流泵对底部冲刷的动量，定义射流泵的有效作业效率 η 为 ρQhVh/（P（Q下+Q上））。

表2 Case 1不同进口压力时主要参数结果Tab.2 The main parameter results of Case 1 at different inlet pressures

表3 Case 2不同进口压力时主要参数结果Tab.3 The main parameter results of Case 2 at different inlet pressures

表4 Case 3不同进口压力时主要参数结果Tab.4 The main parameter results of Case 3 at different inlet pressures

图5三个方案不同进口压力时底部平均速度参数比较Fig.5 Comparison of bottom average velocity parameters of three cases at different inlet pressures

图6三个方案不同进口压力时的出口总流量参数比较Fig.6 Comparison of outlet flow rate parameters of three cases at different inlet pressures

图7三个方案不同进口压力时的下喷口、上喷口及泥水流量比较Fig.7 Comparison of spout and slush flow rate of three cases at different inlet pressures

图8三个方案不同进口压力时的QhVh和η比较Fig.8 QhVhand η for three cases at different inlet pressures

图5给出了三个方案不同进口压力时的底部剖面速度的参数比较，图6给出了三个方案不同进口压力时的出口总流量参数比较，图7给出了三个方案不同进口压力时的下喷口、上喷口及底部流量比较。图8给出了三个方案不同进口压力时的QhVh和射流泵的有效作业效率η的比较。从上述表和图中可以看出：

（1）随着进口压力的增加，Cases 1～3底部平均流速逐渐增加，但增加的速率逐渐变小（见图5（b））。平均流速比较：Case 1>Case 2>Case 3，它们之间的相对值与进口压力大小关系不大（见图5（c））。

（2）随着进口压力的增加，Cases 1～3出口总流量也逐渐增加，Case 3增加的速率最大、Case 2次之、Case 1最小（见图6）。相同压力进口时，出口总流量Case 3>Case 2>Case 1。

（3）进口压力相同时，下喷口（喷口间隙相同）流量与底泥距离h有关，h越大喷口流量越大；上喷口流量与出口半径r有关；泥水流量Case 1

（4）QhVh为底部流量与底部平均速度的积，用于表征射流泵对底部冲刷的动量，从图8可知Case 2要优于Case 1和Case 3。有效作业效率η：Case 1>Case 2>Case 3，尽管Case 1的有效作业效率高，但其总流量及QhVh均相对较小。因此从工程应用综合来看，方案Case 2要优于Case 1和Case 3。

图9～11分别给出了Cases 1～3不同进口压力时的速度云图。从图中可以看出：随着进口压力的增加，射流泵底部流动速度越大，对底泥的消减也越强，同时，也可看出射流泵外围的速度极小，说明该射流泵对其外围流场扰动很小。从Case 1到Case 3射流泵到底部距离h越来越大，底部流动速度越来越小，因此存在最佳底部距离h。若淤泥较硬，需提高下出口流速（增加压力，减小下出口间隙），减小泵距底泥的距离（h），反之亦然。

图9 Case 1不同进口压力时的速度云图Fig.9 The speed contours of Case 1 at different inlet pressures

图10 Case 2不同进口压力时的速度云图Fig.10 The speed contours of Case 2 at different inlet pressures

图11 Case 3不同进口压力时的速度云图Fig.11 The speed contours of Case 3 at different inlet pressures

图12～14分别给出了Cases 1～3不同进口压力时的流线图。从图中可以看出：

（1）同一个方案，不同进口压力时的流线形式基本相同，表明清淤泵的结构形式和尺寸确定后，流动特征与进口压力关系不大；下喷口喷射出的射流沿着构件2的弧线边缘直接流进了出口腔，并与上喷口的射流汇合，整个过程没有出现流动分离；

（2）Case 1下喷口射流带动周围底部流体流向出口腔，且在底部对称轴附近出现大的涡流（涡旋）。Case 2在底部对称轴附近的涡旋与Case 1相比很小，Case 3基本消失。

图12 Case 1不同进口压力时的流线图Fig.12 The flow lines of Case 1 at different inlet pressures

图13 Case 2不同进口压力时的流线图Fig.13 The flow lines of Case 2 at different inlet pressures

（3）Case 3与Case 1和Case 2压力腔内的流线略有不同，Case 1和Case 2基本上沿着构件2的折角处分别流向下喷口和上喷口，而Case 3则在构件2折角下方出现分离，这使得折角上方出现了旋涡，从流线来看，Case 3构件2腔内的折角应采用更大的弧度过渡。Case 1和Case 2与Case 3压力腔内的流线不同，其原因可能是由于它们的上喷口间隙大小不同引起的（Case 1和Case 2上喷口间隙为4.0 mm，Case 3为 2.0 mm）。

图14 Case 3不同进口压力时的流线图Fig.14 The flow lines of Case 3 at different inlet pressures

（4）从腔内流线可以看出，构件2腔内的折角形状设计，其目的是使得腔内流体在折角处分离后分别流向下喷口和上喷口。

从以上射流泵作业时的速度场与流场分析可知，喷口间隙、出口半径、底部距离、构件形状等参数对清淤泵的性能有直接影响，以上参数的设计是清淤泵清淤效果和清淤效率的关键。

3 结 论

本文基于CFD方法对清淤射流泵作业时的流场进行了数值模拟，分析了清淤射流泵喷口间隙、内部结构、出口半径、进口压力等参数与出口流量之间的关系，得到的主要结论如下：

（1）计算分析了清淤泵三个方案不同进口压力时的流场，获得了不同进口压力与出口平均流速之间的关系。对于相同的淤泥河底，可用QhVh（底部流量与平均速度的乘积）来评价最佳射流泵及作业距离h。

（2）清淤泵流场分析表明：清淤泵的结构形式和尺寸确定后，流动特征与进口压力关系不大；清淤泵流动机理如下：下喷口喷射出的射流沿着构件2的弧线边缘直接流进了出口腔，并与上喷口的射流汇合，整个过程没有出现流动分离；下喷口射流带动泵底部流体流向出口腔，且对泵外围流场的扰动很小；构件2的折角形状的设计，其目的是使得腔内流体在折角处分离后分别流向下喷口和上喷口。

（3）内流场数值模拟可以帮助泵内部结构设计，如构件的折角需更大半径r过渡，消除旋涡，减小能量损失；外流场数值模拟可以帮助确定泵的作业距离h。

（4）清淤射流泵的最佳方案，不但取决于泵自身的设计参数，尚取决于作业状态（泵与底泥的距离h），数值模拟便成为设计使用者不可缺少的助手。