喷射泵内部流动模拟与其扩散角优化

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1、第32卷第1期核动力工程Vol.32.No.12011年2月NuclearPowerEngineeringFeb.2011文章编号：0258-0926(2011)01-0053-05喷射泵内部流动模拟与其扩散角优化12，13龙新平，王丰景，俞志君（1.武汉大学动力与机械学院，武汉，430072；2.大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东深圳，518124；3.江苏振华泵业制造有限公司，江苏姜堰，225500）摘要：扩散管的扩散角是喷射泵的重要结构参数之一。采用SIMPLE算法和Realizablek-ε湍流模型，应用FLUE

2、NT软件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。结果表明：扩散角的变化对扩散管上游部分的流场几乎不产生影响，只对下游产生影响；扩散角对喷射泵性能和效率的影响是通过扩散管的阻力和流动损失来施加的；最优扩散角的取值范围应从经济和效率两方面综合考虑，以9.2°扩散角所对应的喷射泵为基准，以最高效率相对变化2.5%为原则，结合泵的外形尺寸和制造成本，认为最优扩散角的取值范围为8°~11°。关键词：喷射泵；扩散角；数值模拟；优化中图分类号：TH38文献标识码：A１引

3、言响，过长的扩散管会增加沿程阻力损失和制造成喷射泵又称射流泵，是一种利用高速流体作本，过短则流动分离，造成大的扩散损失。因此，为工作动力的流体机械及混合反应设备，具有结应综合考虑经济、效率等因素来决定扩散角（扩构简单、可靠性高、密封性好、便于综合利用等散角的大小决定了扩散管的长度）的取值范围。优点，在核电站等核工程领域有着广泛的应用。计算所采用的喷射泵结构如图1所示。该泵目前，针对喷射泵结构尺寸的优化成果较的设计扩散角β=9.2°，面积比为3.93。在扩散断多，而专门针对泵的扩散管及扩散角的研究并不面直径比（扩散管出口直径

4、与进口直径之比）一多见，以往的研究也很少关注扩散角的变化是否定的情况下，保证泵的其他结构参数不变，只改对上游的流场产生影响，有必要对最优扩散角的变扩散管的扩散角β的大小，对应的扩散管长度取值范围进行深入研究。在喷射泵的设计和性能也发生变化。本文分别计算了6°、8°、10°、11°、计算中，一般有以下3种方法：理论计算、试验研12°、14°、16°和18°等扩散角下喷射泵的内部流究与数值模拟。其中，数值模拟以其高效、低成场及性能，并进行了对比分析。在确定计算区域本、能适应多种可变因素等优势，在工程实际中时，做了以下假设：作为

5、一种有效的解决方法得到了广泛的应用。本（1）喷射泵的吸入管位置对泵内流动的对文应用FLUENT软件，对某型喷射泵不同扩散角称性有一定的影响，但对泵性能的影响可以忽[1]下泵的内部流场及性能进行了数值模拟，从轴线略。因此，在保证喉管流量和喷嘴出口断面处速度、沿程压力、性能、制造成本等方面进行了对比分析，确定了最优扩散角的取值范围，为同类型泵的设计提供指导和参考。2计算模型喷射泵主要由喷嘴、喉管、扩散管、吸入室等部件组成，扩散管是其中重要的组成部分。扩图1喷射泵结构示意图散管的长度对喷射泵的性能和特性有着重要的影Fig.1Il

6、lustrationofJetPumpStructure收稿日期：2009-10-09；修回日期：2010-02-01基金项目：国家自然科学基金（50579060），武汉大学自主项目（5081011）54核动力工程Vol.32.No.1.2011截面积不变的前提下，可认为被抽吸流体方向与qhη=（2）工作来流方向一致。1−h（2）由于泵的内部流场呈轴对称结构，因此，为了验证数值模拟的有效性，本文将计算结为节省计算资源可采用轴对称模型。果与试验数据进行了对比（图2）。从图2可以看（3）为保证来流稳定，可假设距喷嘴出口上出，二

7、者数据吻合较好。由此表明，利用FLUENT游300mm处为无穷远来流，并定义为工作流体软件进行数值模拟计算来分析喷射泵内部流场并和被抽流体的进口。为了保证流场出口的稳定，对扩散角进行优化是可靠的。在扩散管后增加了300mm的直管段。４结果分析喷射泵内部流场属于不规则区域的有限空4.1轴线速度和沿程压力间射流，整个网格不宜采用统一的网格，应根据图3为２种流量比下，各扩散角所对应的轴速度梯度的大小来调整网格的疏密，以保证各部线速度分布，其中，断面位置Z=0为喷嘴出口分的节点距离相对稳定。由于在喷嘴出口到喉管这一区域，工作流体和

8、被抽流体开始混合，发生能量的交换，存在较大的紊流剪切力和压力脉动，因此，这一区域的网格划分比较密。另外，在靠近壁面的边界层内存在较大的速度梯度，因此，在靠近壁面的地方也应加密网格。控制方程为RANS方程组，选用Realizablek-ε紊流模型封闭该方程组。计算中压力和速度的耦合采用SIMPLE算法。在