环形射流泵最佳结构尺寸组合优化设计

环形射流泵最佳结构尺寸组合优化设计

射流泵是用于传质传统传统的液体运动和混合反应装置的中间射流切割和扩散作用的液体运动。其工作原理是利用射流的延迟和扩散作用，将工作水体和被吸收液转化为能量。由于没有旋转部件，结构简单，可靠性好，可靠性高，成本低，应用范围广。根据喷嘴和吸入室的位置，可将涌流泵分为中央射流泵（中央jet波mp，jp）和圆形射流泵（ajp）。中央射流泵的喷嘴位于泵装置的中间，周围环绕着喷嘴，形成一个环形吸流泵的喷嘴和吸入室。环形射流泵的喷嘴和吸入室的位置与中心射流泵相反。工作水体周围环绕着吸液泵的进口管道周围形成环形射流。此前不少学者研究了射流泵结构尺寸对其性能的影响.Shimizu等［1］通过试验从结构和性能上比较了AJP与CJP的不同,AJP比传统的CJP更有优势,其效率高达36%;Elger等［2］通过试验发现了泵内部的回流现象并分析了回流的位置及大小;Namiki等［3］运用数值方法研究了泵在不同雷诺数下的性能,揭示了低雷诺数流动下引起吸入室回流的发生机理;Kwon等［4］运用数值模拟方法研究了在不同流量比下吸入室形状对泵性能的影响,发现吸入室角α为12°时效率最大,在小流量比下有回流产生.Gazzar等［5］研究了吸入室和喉管内的混合流动机理,这都表明通过数值分析方法的运用可以减少昂贵而又耗时的试验研究.Yamazaki等［6］通过试验研究了喉管表面粗糙度对射流泵性能的影响,发现喉管入口处摩阻损失最大,摩擦阻力系数与粗糙度呈线性关系.龙新平等［7－8］研究了喉管长度对AJP性能的影响及其内部射流扩展,发现喉管越长,泵的射流扩展和混合能力越好,然而流动损失相应地增加,最优喉管长度为2.69Dt.Wu等［9］运用PIV测试手段研究了涡的发展轨迹,并指出涡旋最易在射流剪切层生成.Shah等［10］通过数值模拟技术并与试验对比,较好地分析了蒸汽射流泵的吸入性能.统计分析方法帮助确定影响泵性能的主要参数节省了大量工作.黄明全等［11］运用正交设计研究了泵在大面积比下结构参数对其性能的影响,根据方差分析确定各参数影响的重要程度.针对其他类型泵也做了大量相关工作,运用正交设计在离心泵［12］与泥浆泵［13］方面也获得了重要成果.朱兴业等［14］安排正交试验分析了不同结构对旋转射流喷头的影响程度.Dalsgaard［15］讨论了因子间交互作用的处理方法.不同于传统的试验设计,文中运用DOE与CFD数值模拟预测泵的性能,选取4个主要因子,即流量比q、吸入室收缩角α、相对喉管长度(喉管长度与喉管直径的比值)lt、扩散管扩散角β,以寻求泵的最大效率.1模型和方法的验证1.1ajp的结构Shimizu试验采用的射流泵［1］,具体尺寸:D0=55mm,Ds0=43mm,Dt=38mm,α=18°,lt=2.69,β=5.8°,面积比m=1.75.AJP由环形喷嘴、吸入管、吸入室、喉管及扩散管几部分组成,如图1所示.工作流体从喷嘴高速喷出,在喉管处因周围空气被射流卷走形成真空,被吸流体即被吸入.两股流体在喉管中混合进行动量交换,使被输送流体的动能增加,最后通过扩散管将大部分动能转换为压能排出.AJP性能通常由无因次参数流量比q、总压比h和效率η表示.1.2网格无关性验证由于环形射流泵内部流动属于有限空间轴对称流动,在实际求解过程中只需求解一半区域,故CFD模型可简化为二维轴对称问题.运用ICEM/CFD软件对其进行空间区域离散,根据实际流动特点对流域的网格疏密程度进行调整,通过改变网格数量作了网格无关性验证.从喷嘴出口到喉管入口这一区域,高能高压的工作流体从喷嘴流出,被吸流体从吸入管道进入泵内.两股流体间形成射流剪切层,并进行剧烈的动量剪切和能量交换,速度梯度大,存在较大的紊流剪切力和能量耗散,此部分网格划分要密一些,其他区域保证网格均匀过渡即可,模型和结构网格如图2所示.1.3增加3轴难度测试1进口边界:进口均设为速度入口,且设距喷嘴出口上游100mm处为无穷远来流,以保证来流稳定,来流速度方向与进口边垂直;2出口边界:设为压力出口,为了保证流场出口的稳定,在扩散管后增加了300mm的直管段;3轴对称边界:各变量仅沿轴向发生变化;4固壁边界:采用壁面函数法处理.泵内部流动假设为恒定、不可压缩流动.Reali-zablek-ε模型包括旋转均匀剪切流、自由流中的喷射和混合流动等多种流动,适应性较广.该模型可较好地模拟圆形射流,其预测的轴对称射流的扩展率与试验数据较为吻合.因此文中主要使用Rea-lizablek-ε模型.鉴于射流泵流场并不复杂,采用二阶迎风格式和SIMPLE算法.2ajp的性能值的模拟2.1ajp的性能公式射流泵的性能方程h=f(m,q)一般是由一组无因次参数来表示的,分别定义如下:2.2射流泵性能试验为验证方法的可靠性,将模拟结果与Shimizu等［1］试验数据进行对比,如图3所示.可见射流泵性能参数如压比h、效率η符合较好,此方法可靠.3dae试验设计3.1p值回归模型文中确定4个对泵内部流场及性能有重要影响的因子,即流量比q、吸入室收缩角α、相对喉管长度lt、扩散管扩散角β.计算模型选自文献,因子取值范围q为0.2~1,α为12°~20°,lt为2~4,β为4°~12°.考虑到试验工作量大,且各个参数之间关系复杂,为减少试验次数又不降低试验的准确性,试验设计针对各因子只考虑了二阶连续性水平和二因子交互作用,因素为效率η,试验安排数据如表1所示.数据拟合采用最常见的分析方法———最小二乘法.水平p<0.05表明结果具有统计学意义,效应显著.因子影响的重要程度如表2所示,流量比q效应最为显著,大多数双因子交互作用比因子单独作用显著.图4描述了效率η与各因子间的曲线关系,其中效率η最大能达36.8%,此时泵的最佳组合条件是q=0.68,α=20°,lt=2.79,β=4°.由于初次试验因子取值范围较大,试验点多在取值范围两端,中间点取值较少,构造模型较简单,试验次数较少的原因,各效应的p值不全具有统计学意义的显著性,结果具有一定的偏差.由图4可知,回归模型预测的各因子最佳组合中,某些参数取到极值,试验结果只是较为接近最优值.为提高试验的效用和准确性,因此需进一步安排试验,增加试验次数.借助第一次试验所提供的各因子取值的最佳范围,确定影响效率η的关键因子,忽略影响较小的效应,合理缩小因子范围,再进行第二次试验设计,因子具体取值范围q为0.5~0.7,α为15°~35°,lt为2.11~2.89,β为4°~10°,试验安排数据见表3.表4揭示了各因子影响的重要程度,所有p值均小于0.05,在进行第二次试验时已细化了某些因子范围,故显著性判断以第二次取值范围为基础,而影响泵性能的主要效应以第一次结果为参考.图5描述了效率与各因子间的关系,其中效率η最大能达36.3%,此时泵的最佳组合条件是:q=0.6,α=15°,lt=2.45,β=4°,将此条件组合的模型泵进行数值计算得η=35.8%.由图5发现α,β还能进一步优化,考虑到整个回归方程以及各效应都已满足统计学的显著性意义,且DOE预测值与CFD计算值很接近,故认为达到试验目的.3.2最佳结构组合的性能曲线AJP性能曲线如图6所示,其最大效率为0.358,接近DOE因子预测值0.363.4模型建立与模型构建文中利用DOE和CFD技术对环形射流泵进行结构优化设计,确定了4个主要因子为流量比q、吸入室收缩角α、相对喉管长度lt、扩散管扩散角β,得到了以下结论:1)影响环形射流泵效率的因子重要程度与试验取值范围和建立的模型有关,确定最佳结构组合应合理选择因子范围,建立合适的回归模型,直到DOE预测值与模拟结果接近.2)AJP效率η最大值时各因子取值