基于CFD模拟的液气射流泵卷吸特性研究与设计优化

摘要

射流泵是一种用来传递能量、质量的流体机械和混合反应设备。它工作可靠，安装维护方便，密封性好，有利于输送有毒、易爆、易燃和放射性介质。各种有压能源均可以直接作为射流泵的工作动力，不需要添加其他辅助设备，所以射流泵的综合应用价值很高。但射流泵的结构比较特殊，两股流体混合时能量损失较大，使射流泵的整体传能效率较低，一定程度上限制了射流泵的使用范围。本文采用数值模拟方法，借助FLUENT14.0软件平台，通过对液气射流泵内部流动的模拟，考察不同几何参数以及喷嘴的结构对射流泵内部流场结构的影响规律，从流场结构变化的角度来研究几何参数、喷嘴结构与射流泵抽气性能的关系，提高泵的抽吸气体性能。
　　本文的主要研究内容及结论如下：
　　(1)选用合适的湍流模型、多相流模型及采用合理的求解策略，求得在一定几何参数和边界条件下液气射流泵内部流场结构的数值解。
　　(2)改变喉嘴距、面积比这两个重要参数，分别对射流泵进行数值模拟。结果发现喉嘴距离为1.5倍喷嘴直径、面积比在4.0～7.0之间能使得泵的抽吸气体的能力达到最佳。
　　(3)采用数值模拟的方法，研究单喷嘴射流泵内部的流场结构，以及液气两相的运动混合规律。在此基础上改变喷嘴的结构形式，把渐缩喷嘴改成孔口喷嘴，研究射流泵的抽气特性，以及内部流动规律。结果发现不同喷嘴结构在射流泵内部产生不同的压力、速度、湍流动能分布，进而产生射流泵的不同卷吸特性。孔口喷嘴具有更佳的混合效果和卷吸特性。
　　(4)获取多喷嘴射流泵的模拟数据，比较单喷嘴与多喷嘴之间的性能以及内部流动差异。结果表明，射流泵内部流场结构与喷嘴的结构和数目密切相关。四个喷嘴的喷射效果要优于单喷嘴喷射，高速液体射流从四个小喷嘴喷出之后，会立即被散开，分散成小液滴与环绕在周围的气体均匀混合，在喉管的中段就已经完成了混合的过程。相比之下，从单孔喷嘴喷出的射流要经过很长的距离，射流的高速核区才会消失，到达出口之前液气两相的速度差仍然较大。
　　(5)比较4喷嘴、5喷嘴以及9喷嘴之间的抽气能力，探索造成抽吸气体能力差异的内在原因。结果发现喷嘴的数目以及喷嘴的布置方式是影响射流泵性能很重要的一方面。相对于其他两种情况，9喷嘴具有更好的抽吸气体性能。这是由于9喷嘴y方向水的速度梯度最大值区域面积最大，即喷嘴出口处速度变化最快，液气两相在这个区域混合最快。
　　本文研究工作表明，喉嘴距、喉嘴面积比是影响射流泵工作性能很重要的两个参数，存在一个最优值使得抽吸气体效率到达最佳。喷嘴的数目及分布方式改变射流泵内部的液气两相流动规律及掺混效果，造成抽吸气体的性能差别很大。相同面积比的9喷嘴，平行布置与聚焦布置对泵内的压力场、速度场和温度场均产生明显的不同影响。
　　本文通过对液气泵内部流场结构的数值模拟研究，可以深入理解几何参数以及喷嘴结构对泵性能的影响机理，为射流泵的性能提高及结构优化提供理论依据。

目录

声明

摘要

第1章 引论

1．1 液气射流泵原理

1．2 射流泵的分类

1．3 射流泵的发展现状

1．3．1 设计理论研究

1．3．2 内部流动研究

1．4 课题的提出和本文研究的内容

第2章 液气射流泵基本理论

2．1 有限空间射流理论

2．2 射流泵内部流态变化

2．3 射流泵基本性能参数

2．4 混合激波

2．5 本章小结

第3章 射流泵CFD建模

3．1 CFD的简介

3．2 CFD基本原理

3．3 CFD与其他流体分析方法的关系

3．4 控制方程

3．5 湍流模型

3．5．1 雷诺数

3．5．2 标准k-ε模型和Realizable k-ε模型

3．6 流体属性

3．7 几何建模

3．8 网格划分

3．8 边界条件的设定

3．9 数值求解收敛条件

3．10 本章小结

第4章 单喷嘴液气射流泵卷吸特性

4．1 泵内压力

4．2 液相与气相体积分数

4．3 液相的速度矢量

4．4 喷嘴出口位置(NXP)的影响

4．5 混合管直径的影响

4．6 两种喷嘴的比较

4．7 本章小结

第5章 多喷嘴液气射流泵数值模拟

5．1 射流泵和多孔喷嘴的结构

5．2 单喷嘴与四喷嘴的比较

5．3 多喷嘴卷吸特性

5．4 平行喷嘴与聚焦喷嘴

5．5 本章小结

第6章 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢