王 瓊 孫華偉 顧玲燕

摘要:射流泵的內(nèi)部流動情況復(fù)雜,而泵內(nèi)流動情況的好壞直接關(guān)系泵的性能。試驗中,發(fā)現(xiàn)不同測壓點測得的增壓值不同。文章運用數(shù)值模擬分析了射流泵內(nèi)部的流動,分析了射流泵混合段長度對射流泵性能的影響,截取了射流泵出口段不同位置的速度分布圖,為評價泵的特性提供了依據(jù),同時也證明了試驗中測量的正確性。

關(guān)鍵詞:射流泵;數(shù)值模擬;混合段長度;流體輸送設(shè)備

中圖分類號:TH314文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1009-2374(2009)20-0185-02

一、射流泵的應(yīng)用

射流泵是一種流體輸送設(shè)備,由于本身沒有運動部件,具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等特點,在農(nóng)牧漁業(yè)、水利電力、航空、交通運輸和環(huán)境保護等部門都有廣泛的應(yīng)用。

在射流泵內(nèi),高壓流體通過噴嘴形成的射流是有界伴隨射流,射流的邊界層受混合段內(nèi)壁的限制,加上被引射流體伴隨進入射流邊界層,在混合段中逐漸混合,其流場分布非常復(fù)雜,目前尚沒有可以描述其流動的數(shù)學(xué)模型。

應(yīng)用于航空飛機上的某射流泵由于空間位置和結(jié)構(gòu)的限制,只有混合段,沒有擴散段。對產(chǎn)品進行性能試驗,試驗結(jié)果證明不同測壓點對引射泵的性能會有很大的影響。產(chǎn)品在距離產(chǎn)品出口管遠近兩處測壓點的測量值相差較大 ,遠處測壓值(B測壓點,距離射流泵出口管端面距離為550mm)大于近處測壓值(A測壓點,距離射流泵出口管端面距離為70mm);且B處測壓值與要求值接近,而A處測壓與要求值不符,如圖1所示:

本文運用傳統(tǒng)射流泵理論,結(jié)合流體仿真計算,分析不同混合段長度情況下射流泵內(nèi)流體的流動狀態(tài),以及對射流泵性能的影響;最后用試驗進行驗證,為現(xiàn)實提供一定的指導(dǎo)意義。

二、理論分析

引射泵的結(jié)構(gòu)如圖2所示:

圖2中,LC為喉嘴距,d1為噴嘴出口直徑,d3為混合段直徑,Lk為混合段長度,LD為擴散管長度。

射流泵的工作原理為:射流泵內(nèi)具有一定壓力的動力源通過噴嘴高速噴射,通過動量交換和射流質(zhì)點的紊動作用吸入流體,兩股流體在混合直管段內(nèi)進行能量交換,動力源流速降低,被吸流體流速增加,并且隨著流體混合的動能交換,混合流體的壓力也不斷升高,在混合段出口完成動能交換,混合流體流速基本均勻。

混合段長度對泵的效率有顯著影響。Lk直接影響高低兩股液流在混合腔中進行能量交換是否充分的程度和液體的能量損失,這主要表現(xiàn)為沿程損失和沖擊損失?；旌隙伍L度過長、過短都會明顯影響泵的效率。

大量試驗證明,混合段的最優(yōu)長度為Lk=(6～8)d3。

三、仿真計算

我們用流體仿真軟件對射流泵進行分析,在處理模型時把B測壓點前的直管都假設(shè)成產(chǎn)品出口混合段。以此為模型進行流體仿真分析,獲得了某壓力下射流泵在A、B處情況下的數(shù)值計算值,如圖3所示:

從圖3看到,同樣的引射源壓力下:(1)A處測壓點計算值比B處測壓點計算值低;(2)A、B兩處計算的差值隨流量的變化而有所變化。

根據(jù)射流泵大約在7倍混合段直徑處完成能量交換的理論,本射流泵自身出口混合段長度只有其直徑的3.3倍,高速射流與被吸流體在出口并未完成能量交換,在出口端面的速度分布也不均勻。

圖4為流體仿真該引射泵內(nèi)部流場,截取了泵出口處的速度流場云圖,從圖中可以明顯看出泵出口混合段存在著明顯的漩渦,高速射流與被吸流體存在較大的速度差,能量交換在引射泵出口端面仍在進行。

圖5中,截取了不同位置的速度圖,其中L是指B測壓點到截取截面的距離,建模時確定了Z軸方向是從流道出口指向噴嘴,因此在該圖中由噴嘴流向出口的流速顯示為負(fù)值,而反向射流則顯示為正值。從圖中可以看出,L=650mm的截面處于噴射流和被引射流的混合區(qū),截面中心是高速區(qū),截面周邊為低速區(qū),在靠近固壁處存在漩渦,這是由于速度梯度過大而形成的。隨著截面越來越靠近流道出口(隨著L越來越小,流體越來越靠近出口),速度梯度減緩,L=250mm(即Lk=8.3d3)時,固壁處漩渦消失,高速流和低速流已基本混合均勻。

A測壓點前的直管長度為混合段直徑的4.4倍,B測壓點前的直管長度為混合段直徑的12.4倍,因此射流泵內(nèi)的混合流體流經(jīng)A測壓點后,混合流體仍在進行能量交換,壓力繼續(xù)升高,而B處是混合流體已完成了能量交換,因此在A、B兩處測得的壓力不同,且B處的壓力高于A處。

射流泵中流動的情況與流量比有關(guān)。當(dāng)射流泵的喉管和噴嘴的尺寸已定后,流動的結(jié)構(gòu)只與工作射流和被吸流體的流量比有關(guān)(即與射流泵的速度比有關(guān))。在大流量比情況下,即工作射流和被吸流體的速度比較小的情況下,兩股流體要混合一致,工作射流所付出的能量較少,射流衰減就越慢, 因此,高速射流區(qū)就保持的越長。在同樣的引射源壓力下,隨著出口流量的增大(即被吸流體和工作射流的流量比增大),A、B兩處的計算差值隨流量的增大而有所增大。

四、試驗方法及結(jié)果

在仿真的基礎(chǔ)上,又用試驗進行了驗證。在相同的試驗設(shè)備下,將測壓點分別放在A、B兩處,同時在測試試驗數(shù)據(jù)時,保證相同的入口條件和動力源條件,測得某動力源壓力下射流泵在A、B處的性能曲線對比,如圖6所示:

從圖6的曲線來看,對同一臺泵,同樣的試驗條件下,在相同的入口條件下,同樣的動力源壓力下,B處測得的壓力比A處測得的壓力高。隨著流量的變化,A、B兩處的差值也有所變化。流量越大,A、B兩處的差值也越大。這和計算的結(jié)果吻合,也證明了計算的準(zhǔn)確性。

一般情況下,射流泵混合段不同長度對泵性能有很大影響,長度過短使液體混合不均勻,增加后面的擴散損失;長度過長則增加摩擦損失。而本文研究的射流泵因空間位置所限,沒有擴散段,且混合段的長度不足以使引射流和被引射流體完全混合,發(fā)生能量交換。在這種情況下,要想試驗中能真實地反映射流泵的性能,必須選擇合適的測壓點。

五、結(jié)論

1.用數(shù)值模擬分析了射流泵內(nèi)部的流動情況,說明射流泵要具有足夠的混合段長度以滿足混合流體能量交換的需要。設(shè)計產(chǎn)品時要充分考慮混合段的長度,當(dāng)產(chǎn)品因空間位置所限時,要想試驗?zāi)苷鎸嵎从钞a(chǎn)品的特性,應(yīng)選擇合適的測壓點,為設(shè)計和試驗提供了一定的指導(dǎo)意義。

2.試驗中,不同測壓點測得不同壓力值。當(dāng)測量點處在穩(wěn)流區(qū),測得的數(shù)據(jù)能較真實的反映產(chǎn)品的特性。因此試驗中測量點的位置應(yīng)避開混流區(qū),以保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

參考文獻

[1]機械工程手冊(第14卷)[M].機械工業(yè)出版社出版,1982.

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[3]關(guān)醒凡.泵的理論與設(shè)計[M].機械工業(yè)出版社,1986.

作者簡介:王瓊(1981-),供職于中航工業(yè)金城集團南京機電液壓研究中心,碩士,研究方向:泵類產(chǎn)品設(shè)計;孫華偉(1974-),供職于中航工業(yè)金城集團南京機電液壓研究中心,研究生在讀,研究方向:泵類產(chǎn)品設(shè)計;顧玲燕(1983-),中航工業(yè)金城集團南京機電液壓研究中心,碩士,研究方向:泵類產(chǎn)品仿真計算。