喷管结构对环形射流泵流场的影响

熊 顺，陈云良，向伟宁，徐 永

（四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室、水利水电学院，四川 成都 610065）

0 引 言

射流泵是一种利用高速工作液作为动力、基于射流剪切和湍动扩散作用对流体进行抽吸、混合和输运的流体机械设备，相比于其他泵类机械，该设备没有运动部件，具有结构紧凑、加工制造简单、安全可靠等优点，广泛应用于市政［1］、核能［2］、水利［3］等领域。射流泵可分为中心射流泵［4］和环形射流泵［5］，中心射流泵的喷嘴位于装置中间，工作液从中间的工作管入射进入吸入室，卷吸环绕于喷嘴的被吸液；环形射流泵则相反，其喷嘴呈一侧贴近壁面的环形，工作液从环形喷嘴射入，卷吸位于中间的被吸液。与中心射流泵相比，环形射流泵的吸入管、喉管和扩散管的轴线重合，被吸液的过流通径更大，因此适用于输送较大体积的固体物质，如活鱼、农产品等［6，7］，具有重要的研究价值。

不少学者对环形射流泵的结构尺寸和工作性能进行了数值模拟研究。YANG 等［8］研究了环形射流泵基于等速度变化和等压力变化设计的喇叭形扩散管，发现均较锥型扩散管的压力梯度更平稳、更均匀；龙新平等［9］研究了环形射流泵喉管长度对其效率的影响，认为喉管长度与喉管直径之比处于2.17～2.89时，效率较高；WANG 等［10］通过数值模拟的方法，对比了流线型环形射流泵与常规环形射流泵的基本性能，发现当流量比大于0.3 时，前者的效率较后者最大可提高1.2%。XIAO 等［11］利用Realizablek-ε模型研究了吸入室收缩角对环形射流泵性能的影响，发现当吸入室收缩角为20°时性能趋于最佳。

目前，研究主要集中于对吸入室、喉管、扩散管等的优化，在进行数值模拟时均将喷管计算模型简化，假定喷嘴工作液速度沿环周对称、均匀分布，没有考虑工作管如何衔接喷管以及喷嘴出口结构对流场的影响，缺乏对环形射流泵喷管结构的研究和探讨。从部分实验资料来看［6，12］，通常采用直三通连接工作管与环形喷嘴，即工作管需要经过直角转向流动，在空间上一般为单侧管入流，这必将导致环周不均匀流动。对于喷嘴出口结构，中心射流泵相关研究表明［13，14］，喷嘴出口增设（0.25～0.5）倍喷嘴出口直径的平直段，将有利于流场分布、改善性能，还未见有关环形射流泵喷嘴出口结构的研究报道。因此，对环形射流泵几何结构的研究是不全面的，缺乏包括完整喷管的全域三维流场分析。工作液流速高、压力大，喷管结构将直接影响环形射流泵的水力条件，应将喷管结构作为评判环形射流泵性能的重要组成部分。

本文对喷管直角转弯和弧形转弯的环形射流泵进行数值模拟，对比分析两者的流动特性、性能指标等，计算研究环形喷嘴出口直段长度对环形射流泵流场的影响，给出合适的设置值。研究成果可为环形射流泵喷管结构设计提供科学依据和技术参考。

1 模型及计算方法

1.1 几何模型

环形射流泵喷管进口连接工作管，喷管结构包括喷管衔接段、喷管直段和环形喷嘴三个部分。根据实际应用中喷管衔接段形状的不同，本文定义喷管直角转弯（目前通常应用）和弧形转弯两种环形射流泵（如图1）。结合环形射流泵结构优化的相关成果，参考WANG［15］的几何模型，拟定环形射流泵的结构尺寸见表1，面积比为2.22，喉管长径比Lt/Dt为2.5。其中：Dj为喷管进口/工作管的直径，Ds为被吸管的直径，Lj0为喷管直段长度（Lj0/Dj= 1.2），Lj为环形喷嘴长度，Lc为喉嘴距，α为吸入室收缩角，Dt为喉管直径，Lt为喉管长度，β为扩散管扩散角，Dd为出水管直径。拟定喷管弧形转弯半径r为100 mm（r/Dj= 1）、转角θ为120°，环形喷嘴出口壁厚δ为2 mm。

图1 环形射流泵结构示意图Fig.1 Schematic diagram of annular jet pump structure

表1 模型各结构尺寸表Tab.1 Size table of each structure of the model

1.2 计算域网格划分

以喉管进口中心为原点建立三维模型，运用ICEM 软件对几何模型进行离散，为了兼顾计算时间成本和计算精度的要求，根据环形射流泵的流动特点，对不同的结构部位采用不同的网格疏密程度。从环形喷嘴出口附近到喉管入口这一部分，由于流速梯度大，高速工作液流入后与被吸液发生剧烈的能量、动量和质量交换，这种剧烈的紊流剪切运动会造成较大的能量损失，所以对这一部分进行加密处理，然后由该区域向两侧均匀变疏。此外，为了提高计算的准确性，对靠近壁面的区域进行加密处理，喷管衔接段的网格采用非结构网格，其他区域均采用结构网格。划分了网格数约为80 万、160 万和320 万的三套网格，160 万与320 万网格的计算结果几乎相同，故网格数采用160万，网格如图2所示。

图2 计算网格Fig.2 Computational mesh

1.3 CFD设置

本文采用Realizablek-ε双方程紊流模型对环形射流泵进行数值模拟，采用Coupled 算法和二阶迎风格式离散。该数值模拟方法计算的可靠性，已经得到了相关研究资料［7-10，16］的验证。

为了保证来流的稳定，工作管长度延伸5Dj，工作液进口设置为速度入口，速度方向与进口面垂直；被吸管段长度延伸10Ds，被吸液进口设置为压力入口，相对压力为0；为了保证流场出口的稳定，在扩散管后延伸5Dd的出水管，混合液出口设置为压力出口；固壁均为无滑移壁面，采用Scalable 壁面函数进行处理。保持工作液进口流速为1.3 m/s，被吸液进口设置相对压力为0，通过改变出口相对压力从0～90 kPa 来获得不同的流量比工况。

2 喷管衔接段

2.1 流动特性分析

图3 是q=0.5 时z=0 截面速度矢量图。由图3 可以看出，喷管衔接段对流场有较大影响，喷管直角转弯的两侧形成了范围较大的回流区，特别是在下游处，水流由于转向突变成为急变流，产生壁面脱流现象，形成漩涡区，存在较大的局部水头损失；喷管弧形转弯时，水流平顺过度，可有效减少能量损失。

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

为了探究工作液流经两种不同的喷管衔接段直到环形喷嘴出口前的流速分布变化差异，分别取喷管直段中部x=-220 mm 截面，环形喷嘴中部x=-107 mm 截面，环形喷嘴出口附近x=-43.5 mm 截面，采用动量修正系数λ衡量不同流量比下各截面速度分布的均匀性［17］。

式中：A为计算截面面积；u为合速度；-v为计算截面质量平均速度。

图4 反映了两种环形射流泵在3 个计算截面内的动量修正系数随流量比的变化，可以看出，λ几乎不受流量比的影响。在相同的截面位置，喷管弧形转弯的环形射流泵的λ值更接近于1，说明其速度分布更加均匀。两者在喷管直段中部截面的λ值有着显著差异，说明弧形衔接段能有效平顺水流，改善横截面的流速分布。随着截面面积的减小，虽然两者λ值的差距也逐渐减小，但此时两者截面流速分布在空间上仍然存在着明显差异。

图4 动量修正系数随流量比的变化图Fig.4 Change of momentum correction coefficient with flow ratio

图5 展示了流量比q为0.5 时3 个截面的速度分布云图，可以清晰看到，喷管弧形转弯的环形射流泵的流速分布十分均匀，而喷管直角转弯时出现了环周分布不均的现象，尤其是在y轴正向附近出现明显的低流速区，即使是在λ值较低的环形喷嘴出口，如图5（c）中的虚线矩形处，上述现象仍旧明显。综合来看，在环形喷嘴对水流的收缩作用下，截面流速整体的均匀性会得到一些改善，但是喷管直角转弯所造成的局部低流速区仍然存在。环形喷嘴出口宽度小，流速高，环周分布不均的流速必然影响下游流场。

图5 3种截面的速度分布云图（q=0.5）Fig.5 Velocity contour at three cross sections（q=0.5）

为了进一步探究工作液通过环形喷嘴后的流动特性，图6给出了喷管弧形转弯的环形射流泵（下文简称“前者”）和喷管直角转弯的环形射流泵（下文简称“后者”）从喷嘴出口到出水管不同位置横截面的流速分布，图7 为两者在z=0 截面的流速分布。可以看出，射流经环形喷嘴贴壁高速流动，高速流核沿流程逐渐衰减，随着流量比的增大，两种射流泵的流核最终衰减点的位置均向下游移动。如图7 所示，以y轴正向为上，z=0截面分为上下两个壁面，前者上下壁面附近流核的衰减过程沿喉管中轴线对称分布，而在后者z=0截面上，黑色箭头表示上壁面流核最终衰减点位置，白色箭头表示下壁面流核最终衰减点位置，可以看出上下壁面流核最终衰减点在x方向的位置有较大差异，且随着流量比的增大，这种差异也增大。如图7中的红色矩形框所示，水流进入扩散管后，前者一直保持着环周对称的减速增压流动，而后者呈现出上壁面为高速区，下壁面为低速区的情形。从图6 中两者相对应的截面也可以明显看出，在两种不同流量比工况下，后者均出现流速环周分布不均的现象。综合来看，环形喷嘴不均匀的入流会影响后续整个流场，造成流速环周分布不均，而弧形转弯对环形喷嘴处的均匀出流和扩散管处的均匀扩散起到了显著的优化作用。

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

为了探究喷管结构对工作液与被吸液混合程度的影响，图8给出了喷管弧形转弯的环形射流泵和喷管直角转弯的环形射流泵在两种流量比下的湍动能分布图。可以看出，两种射流泵在喉管处的湍动能均较大，但如黑色矩形框标记的区域所示，前者的高湍动能区关于喉管中轴线对称分布，而后者的高湍动能区明显偏向下壁面，说明前者在喉管处工作液与被吸液混合更均匀。随着流量比的增大，高湍动能区的范围逐渐减小，并从喉管向扩散管移动，两者之间的混合均匀差异逐渐减小。然而，如红色椭圆虚线框标记的区域所示，流体在扩散管的减速增压作用下，后者的高湍动能尾迹开始偏向上壁面，随着流量比的增大，尾迹逐渐向下游延伸，且偏向上壁面的程度逐渐加大，而前者的高湍动能尾迹沿扩散管中轴线对称分布，说明喷管弧形转弯的环形射流泵更有利于扩散管内流体的均匀传能。

图8 z=0截面湍动能分布云图Fig.8 Turbulent kinetic energy contour at z=0 section

2.2 性能分析

环形射流泵的工作参数包括流量比q，压力比h，效率η，分别定义如下：

式中：下标j、s、c分别代表工作液、被吸液、混合液；Q表示流量，L/s；p表示断面平均压强，单位：kPa；v表示断面平均流速，单位：m/s；z表示安装高度，m；本文考虑了喷管衔接段作为环形射流泵的组成部分，pj、vj取自工作管进口截面。

图9为两种射流泵的性能曲线，在不同流量比工况下，相比喷管直角转弯的环形射流泵，喷管弧形转弯时压力比和效率均有所提升。原因有两点，第一，直角衔接优化为弧形衔接后，喷管局部水头损失减小；第二，弧形衔接可以平顺水流，使得工作液到达环形喷嘴前，流速在空间上接近环周对称、均匀分布，有利于射流传能。

图9 性能曲线Fig.9 Characteristic curve

3 环形喷嘴出口直段

3.1 流动特性分析

以弧形喷管的环形射流泵模型为研究对象，出口宽度B不变（面积比不变），环形喷嘴的出口壁厚δ不变，改变环形喷嘴出口直段的长度L，如图10 所示，得到四种不同出口直段长度的环形喷嘴。

图10 环形喷嘴出口直段结构Fig.10 Annular nozzle outlet straight section structure

图11 展示了环形喷嘴不同直段长度下的回流区和速度分布图，可以看出，在低流量比工况下，与不加直段的环形喷嘴相比，加设直段后的回流区在横向和纵向的延伸范围均有明显减小，而直段的长度对回流区的大小几乎无影响。从速度分布可以看出，不加直段时，射流流核速度较高，而加设直段后，随着直段长度的增加，流核的速度逐渐减小，这是由于工作液经环形喷嘴的收缩作用已经具有很高的流速，直段越长，高速流体损失的能量越大。随着流量比的增加，回流现象逐渐消失，流核的长度逐渐增加。综合来看，在中低流量比工况下，总能量损失由回流损失和直段增加的损失两部分构成，而回流现象造成的损失占主导，故喷嘴直段可有效提高效率，随着流量比的增加，回流现象逐渐消失，因此，在大流量比工况下直段对效率总体影响小。

图11 回流区和速度云图Fig.11 Recirculation zone and velocity contour

图12为环形喷嘴出口不同直段长度下，吸入室、喉管、扩散管和出水管的壁面压力系数分布，其中壁面压力系数Cp的定义如下：

图12 壁面压力系数分布图Fig.12 Wall pressure coefficient distribution

式中：p为壁面压力；pj为环形喷嘴出口壁面压力；uj为环形喷嘴出口工作液的平均速度。

由图12可以看出，有直段时，在低流量比工况下，环形射流泵喷嘴出口附近及吸入室的壁面压力几乎不变，随着流量比的增加，该结构处的壁面压力系数开始下降，但下降趋势较为平缓，且直段的长度对曲线走势无明显影响。无直段时，两种流量比工况下环形射流泵喷嘴出口附近均出现壁面压力系数急剧降低的情况。此外，在喉管入口处，由于工作液在近壁面流速较高，发生脱流现象，所以产生了局部低压，与无直段相比，加设直段后压降的幅度有所减小。四种环形喷嘴出口直段长度下的喉管、扩散管和出水管的壁面压力系数分布曲线走势相似，但无直段时整体壁面压力系数较低。

3.2 性能分析

图13 为环形射流泵在环形喷嘴不同出口直段长度下的效率特性曲线，由图13可以看出，在中低流量比工况下，与无直段相比，具有直段的环形喷嘴效率较高，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%；随着直段长度进一步增加直段产生的损失增加，效率提升减弱，而随着直段长度减小，极限流量比会随之减小。在较高流量比工况下，环形喷嘴出口有无直段对效率的影响很小。综合考虑效率和正常工作范围，推荐L/B的取值范围为0.5～1。

图13 效率特性曲线Fig.13 Efficiency characteristic curve

4 结 论

实际应用中环形射流泵的喷管衔接段通常为直角三通，分别接工作管和喷嘴，目前，缺乏对包括喷管在内的全域流场探讨。本文对喷管直角转弯与弧形转弯开展三维数值模拟，计算不同环形喷嘴出口直段长度，分析喷管结构对环形射流泵流场的影响，得出如下结论。

（1）喷管直角转弯处存在范围较大的回流区，造成局部水头损失增大；而弧形转弯能更好地平顺水流，减小能量损耗，在不同流量比工况下，喷管弧形转弯的环形射流泵具有更高的流量比和效率。

（2）喷管直角转弯时，环形喷嘴计算截面动量修正系数较大，流速分布不均；喉管和扩散管处的流速与湍动能分布环周不对称。喷管弧形转弯时，流场在空间上基本呈环周对称、均匀分布，有利于工作液与被吸液进行均匀混掺和能量交换。

（3）环形喷嘴出口直段长度对环形射流泵的性能有影响。设计较短会导致正常工作范围减小，设计较长会导致效率降低，当直段长度取（0.5～1）倍环形喷嘴出口宽度时可以有效提高效率并维持较大的正常工作范围，在中低流量比工况下，效率最多可提高1%。

（4）环形喷嘴增设直段后能减小回流区的范围，而直段的长度对改变范围的程度无明显影响，此外，增设直段可以平稳环形喷嘴出口壁面的压力，提高射流泵整体的壁面压力系数，减小喉管入口处压降的幅度。