液气射流泵性能研究与数值模拟

液气射流泵性能研究与数值模拟

射流泵是一种利用高速射流作为动力来传递动能和质量的流体机械和混合反应设备,其本身没有运动部件,具有结构简单、安装方便、工作可靠、寿命长等优点,在许多工艺流程中应用具有优越性和不可替代性,在国民经济的发展中起着重要的作用。但射流泵的缺点是由于工作流体(射流)和被吸流体(引射流体)混合能量损失很大,导致泵的效率较低,这在一定程度限制了射流泵的应用范围。

本文利用有限元软件FLUENT17.0对液气射流泵内部流场进行模拟,研究喉嘴距、面积比、喷嘴结构和喷嘴安装形式等结构形式和不同工况对射流泵流场分布规律的影响,寻求射流泵效率较高时的结构参数和合理工况。主要开展以下工作:以单一变量法为基础,构建不同喉嘴距和面积比下液气射流泵流体域模型,导入到ICEM-CFD中进行网格划分并设定射流泵的各种边界,选择Mixture多相流模型和标准k-ε湍流模型来进行数值模拟。

利用CFD-Post提取泵内压力和速度分布云图,提取进出口压力和质量流量数据。对不同结构尺寸(面积比、喉嘴距)液气射流泵的流场性能进行比较分析,以效率较优为目标,得到较优喉嘴距和面积比。

在较优喉嘴距和面积比下,将余弦、圆锥和圆柱喷嘴的性能进行对比,得出圆柱喷嘴射流泵的壁面压力变化和轴线上的压力变化较余弦、圆锥喷嘴射流泵更大,由于工作流体经过其收缩断面,能量损失较大,效率相对余弦、圆锥喷嘴低。余弦和圆锥喷嘴射流泵流场特性相近,考虑到余弦喷嘴不易加工,射流泵采用圆锥喷嘴更合理。

在较优喉嘴距和面积比下,考察多喷嘴液气射流泵内部流场特性,设计了圆形三喷嘴、三角形三喷嘴、环向四喷嘴、中心四喷嘴和六喷嘴这五种多喷嘴射流

泵,并使多喷嘴的喷嘴出口总面积等于单喷嘴且在同样边界条件下模拟。本次设计的多喷嘴效率整体低于单喷嘴,说明多喷嘴不总是可以提高泵的效率,喷嘴自身的结构和布置形式会影响泵的效率。

对比研究了平行六喷嘴和2种倾斜角度不同的聚焦六喷嘴射流泵的效率,得出聚焦多喷嘴可以提高泵的效率,喷嘴倾斜角越大,越有利于射流进行交汇,形成的高速流核区向前推进的距离越大,越有利于水射流与气体混合,提高泵的效率。研究不同工况下射流泵的性能,依次改变工作流体压力和混合流体出口压力,寻求合理的工况。

得出过高或过低工作流体压力会降低泵的效率;适当减小混合流体出口压力能提高射流泵的效率,但出口压力过大会降低泵的效率。所以需要严格控制泵的进口压力和出口压力,才正常保证泵正常乃至高效运行。

总之,本文通过对液气射流泵内部流场进行数值模拟,对比研究喉嘴距、面积比、喷嘴形状、喷嘴个数喷嘴、布置形式和不同工况(不同工作流体压力和混合流体出口压力)流场分布规律,可为射流泵选择较优的结构参数和合理的运行工况,研究结论可为射流泵的设计提供一定理论依据。