脉冲液气射流泵内部流场的数值模拟

第３０卷第３期２　０　１　２年３月水　电　能　源　科　学Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３０Ｎｏ．３Ｍａｒ．２　０　１　２文章编号：１０００－７７０９（２０１２）０３－０１３６－０４脉冲液体射流泵能量平衡的数值研究张晋华１，程　鹏２，高传昌１（１．华北水利水电学院电力学院，河南郑州４５００１１；２．华北水利水电学院数学与信息科学学院，河南郑州４５００１１）摘要：运用能量平衡分析原理，根据脉冲液体射流泵主要流动部件的能量损失压力比公式，利用脉冲液体射流泵性能数值计算模块，对脉冲液体射流泵能量平衡进行了数值研究，分析了主要流动部件的能量损失变化及其对脉冲液体射流泵性能的影响，并与恒定液体射流泵的能量损失压力比、性能及效率进行了对比。

结果表明，脉冲射流是提高射流泵传能、传质效率的有效途径。

关键词：脉冲液体；射流泵；能量损失；基本性能；数值研究中图分类号：ＴＶ１３６文献标志码：Ａ收稿日期：２０１１－０７－２１，修回日期：２０１１－０９－３０基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０３７９０１３）；水利部公益性行业科研专项经费基金资助项目（２０１２０１０８５）作者简介：张晋华（１９８０－），女，讲师，研究方向为水利水电，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｊｈ＠ｎｃｗｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 射流泵是一种利用射流紊动扩散作用传递能量与质量的流体机械及混合反应设备。

由于射流泵内两股不同压力的流体混合时会产生较大的能量损失，其传能传质的效率较低［１］，因此提高射流泵的传能传质效率一直倍受关注。

２０世纪７０年代以来，提高射流泵的效率主要通过两种途径：①研制新型结构的射流泵，如采用多股射流、多级射流等；②在相同的射流泵装置上采用脉冲射流。

其中第２种途径受到了高度重视，并进行了大量的试验研究［１～５］，由于在相同的射流泵装置上脉冲液体射流泵与恒定液体射流泵内部流场分布规律不同，因此二者内部流体的能量传递、转换与损耗也不同。

石油机械CHINA PETROLELM MACHINERY2021 年 第 49 卷 第 3 期— 15 —V 钻井技术与装备A脉冲射流动力机构的结构设计和数值模拟**基金项目：中石化集团公司项目“页岩气井高效破岩工具关键技术研究与应用”（JP19010）。

严忠1陈小元1王委1纪照生2史杏杏2(1.中石化华东石油工程公司江苏钻井公司2.中国石油大学(北京))严忠，陈小元，王委，等.脉冲射流动力机构的结构设计和数值模拟.石油机械，2021, 49 (3) : 15-24.摘要：现有文献针对脉冲射流动力机构脉冲特性控制的研究尚存不足，为此，以典型的叶片 驱动盘阀式脉冲射流发生机构为研究对象，采用数值计算方法，从排量、叶轮内径、叶片个数、叶片型线安放角和阻力扭矩5个方面对动力机构的速度场、压力场、转速及压耗进行分析，揭示 动力机构结构参数对最终脉冲特性的影响规律。

模拟结果显示：内径与安放角对转速影响较为明显，转速随内径的增大先减小后增大，内径为56 mm 、排量为15 L/s 时转速最低达到546 r/min ；在分析范围内，叶轮转速随叶片个数的增加而增大，叶片个数由3增加至6时，转速在600-1 200 r/min 间变化，不同排量下平均增幅仅为59 r/min ；叶轮转速随安放角的增大而减小，不同排量下平均减幅为673 r/min 。

研究结果可为同类工具的脉冲压力和频率等特性控制提供理论指导。

关键词：脉冲射流；动力机构；结构参数；特性控制中图分类号：TE248文献标识码：A DOI ： 10. 16082/j. cnki. issn. 1001-4578. 2021. 03. 003Structural Design and Numerical Simulation of Pulse Jet Power MechanismYan Zhong 1 Chen Xiaoyuan 1 Wang Wei 1 Ji Zhaosheng 2 Shi Xingxing 2(1. Jtangsu Dr,〃加g Company ，STA^OPEC Eas£ CA/na OH Eng/^eer/ng Company； 2. CA/na 弘,©ersdy of Pe^ro/eurn (Beijing ) )Abstract : The existing paper has insufficient research on the pulse characteristic control of the pulse jet powermechanism. For this reason , taking the typical blade-driven disc valve pulse jet generator as the research object , the numerical calculation method is adopted to study the effects of displacement , the impeller inner diameter , blade number , blade profile installation angle and resistance torque on the velocity field , pressure field , rotation speedand pressure loss of the power mechanism ， and reveal the influence of power mechanism structure parameters on the final pulse characteristics. The simulation results show that the inner diameter and the installation angle have great effects on the rotation speed. The rotation speed first decreases and then increases with the inner diameter. Theminimum speed reaches 546 r/min under the inner diameter of 56 mm and the displacement of 15 L/s. Within the analysis range , the rotation speed of the impeller increases with the number of blades. When the number of bladesincreases from 3 to 6, the rotation speed varies from 600 to 1, 200 r/min , while the average increase is only 59 r/min under different displacements. The impeller rotation speed decreases with the installation angle , and the aver ­age decrease is 673 r/min under different displacements. The study can provide theoretical guidance for the charac ­teristic control of similar tools such as pulse pressure and frequency.Keywords : pulse jet; power mechanism ； structure parameter ； characteristic control余资源量多、发展潜力大等特点［|-2］，但是也存在0 引 言地层环境复杂和岩石硬度大等问题，亟需高效破岩方法以提高钻井效率，缩短建井周期，进而提高深 我国深层油气资源较为丰富，深部地层具有剩层油气开采效益［3-4］ o 脉冲射流钻井技术能够有效—16—石油机械2021年第49卷第3期利用并优化分布井底水力能量，在井底形成交变流场，提高射流的清岩效率，并通过降低井底瞬时压力改变井底岩石的应力状态实现辅助破岩［5-7］。

蒙特卡罗法对射流泵模型内部流场的数值模拟随着科学技术的不断发展，人们对于流场研究的需求越来越高。

而数值模拟则成为现代科学研究中不可或缺的一部分。

本文将围绕“蒙特卡罗法对射流泵模型内部流场的数值模拟”这一主题展开讲解，带领小伙伴们一步一步深入了解相关知识。

第一步，了解射流泵模型的内部流场特性。

射流泵是利用高速流体的动能来传递压缩气体或输送液体的机械设备，其内部流场特性主要包括压力分布、速度分布、流线分布等。

这些特性对于射流泵的性能有着决定性的影响。

第二步，介绍蒙特卡罗法。

蒙特卡罗法是一种基于概率统计的数值模拟方法，其主要思想是利用多次重复采样的方法，通过统计得到随机事件的概率分布。

在流场模拟中，可以应用蒙特卡罗法模拟粒子在流场中的运动状态，进而得到流场的特性数据。

第三步，探索蒙特卡罗法在射流泵模型内部流场数值模拟中的应用。

通过对射流泵模型的内部流场进行数值模拟，我们可以得到流场中各个位置的速度、压力、流线等特性数据。

基于这些数据，可以对射流泵的性能进行准确的预报，也可以更加深入地了解流场特性。

第四步，总结蒙特卡罗法在射流泵模型内部流场数值模拟中的优势。

相较于传统的数值模拟方法，蒙特卡罗法具有计算量小、可靠性高、适用范围广等优点。

在射流泵模型内部流场数值模拟中应用蒙特卡罗法，可以更加准确地描述流场的特性，提高研究的精度和可信度。

综上所述，蒙特卡罗法对射流泵模型内部流场的数值模拟具有重要意义和应用价值。

通过深入理解射流泵模型内部流场特性，熟练掌握蒙特卡罗法的基本原理和计算流程，我们可以更加准确地预报射流泵的性能、优化流场设计、提高产品的质量和效率。

液体射流泵内部三维流场的数值模拟
常洪军;朱熠
【期刊名称】《排灌机械工程学报》
【年(卷),期】2005(023)006
【摘要】应用FLUENT 6.0软件对液体射流泵三维流场进行了计算分析.在前处理软件GAMBIT2.1.6中将泵内的流场划分为71 153个计算单元.计算中采用可实现K-ε双方程模型,边界条件为压力进口、压力出口,速度、压力采用SIMPLEC算法.计算得出了射流泵内部的流场分布,其结果可以为射流泵的设计提供依据.
【总页数】3页(P13-15)
【作者】常洪军;朱熠
【作者单位】武汉大学动力与机械学院湖北武汉 430072;武汉大学动力与机械学院湖北武汉 430072
【正文语种】中文
【中图分类】TP271.31;O242.1
【相关文献】
1.环形自激振荡射流泵内部流动特性的数值模拟 [J], 高全杰;李海洋;汪朝晖;杨宵
2.浅谈射流泵内部流场数值模拟研究现状 [J], 陈文徽;韩岐清;李少甫;孙福山;王新红
3.液体射流泵内流场的数值模拟 [J], 陈雨涵;何燕彬;李兰;崔晓云
4.液体射流泵内部流动分析:Ⅱ理论计算参数确定 [J], 王玉川;曹树良;高传昌;王松林
5.液体射流泵内部流动分析:Ⅰ试验与三维数值模拟 [J], 王松林;王玉川;桂绍波;高传昌;曹树良
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４．３．１恒定液体射流泵内部流场的模拟轮廓图模拟恒定液体射流泵内部流场，当计算达到收敛精度时，内部流场的速度、压力基本趋于稳定。

图禾２为初始工作压力Ｐｏ－ｏ．２Ｍｐａ，面积比ｍ＝６．２５，喉管直径ｄ＝２５ｍｍ，喉管长Ｌ＝２００ｍｍ时，射流泵内部的压力场轮廓图；图４．３为初始工作压力Ｐｏ＝ｏ。

２５Ｍｐａ，面积比ｍ＝２．７８，喉管直径ｄ＝２５ｍｍ，喉管长Ｌ＝２００ｍｍ时，射流泵内部的速度场轮廓图。

图４．２压力场轮廓图Ｃｈａｒｔ４－２ＴｈｅＣＯｎｔＯＵｒｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅ图４１３速度场轮廓图Ｃｈａｒｔ４－３Ｔｈｅｃｏｎｔｏｕｒｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙ３９４．３．２脉冲液体射流泵内部流场的模拟轮廓图模拟脉冲液体射流泵内部流场，当计算达到精度时，脉冲过程呈现交替性变化，图４．３和图４－４分别为初始工作压力Ｐｏ＝０．２５Ｍｐａ，面积比ｍ＝１１．１１，喉管直径ｄ＝４０ｍｍ，喉管长Ｌ＝４００ｍｍ，周期Ｔ三１．５＋Ｉ时，射流泵内部不同时刻的压力场及速度场轮廓图。

图４－＿４压力场瞬时轮廓图Ｃｈａｒｔ４－４ＴｈｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｏＤｌｌｔｏｕｒｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅ图４＿＿５速度场瞬时轮廓图Ｃｈａｒｔ４－５Ｔｈｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｎｔｏｕｒｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙ４．３．３脉冲液体射流泵内部速度场的矢量图图４．６为喉管直径ｄ＝２５ｍｍ，喉管长Ｌ＝２００ｍｍ，面积比ｍ＝６．２５，平均流量比ｇ＝０．６１，初始工作压力Ｐｏ＝０．２５Ｍｐａ，周期Ｔ＝（１．５＋Ｄｓ，不同时刻的瞬时速度矢量图。

４１华北水利水Ｉｎ学院硕ｌ’论空图４．６脉冲速度场矢量图Ｃｈａｒｔ４－６Ｔｈｅｖｅｃｔｏｒｏｆｊｃ！ｖｅｌｏｃｉｔｙ图４．７为喉管直径ｄ＝２５ｍｍ，喉管长Ｌ＝２００ｒａｍ，面积比ｍ＝４．３４，平均流量比石＝０．５２，初始工作压力Ｐｏ＝０．２５Ｍｐａ，周期Ｔ＝（１．５＋１）ｓ，不同时刻的瞬时速度矢量图。

图４－７脉冲速度场矢量图Ｃｈａｒｔ４－７Ｔｈｅｖｏｃｌｏｒｏｆｊｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙ图４－８为喉管直径ｄ＝２５ｍｍ，喉管长Ｌ＝２００ｒａｍ，面积比ｍ＝２．７８，平均流量比ｉ＝０．５８，初始工作压力Ｐｏ＝０．２５Ｍｐａ，周期Ｔ＝（１．５＋１）ｓ，不同时刻的瞬时速度矢量图图４－８脉冲速度场矢量图Ｃｈａｒｔ４－６Ｔｈｅｖｅｃｔｏｒｏｆｊｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙ限于篇幅，本文只列出了脉冲液体射流泵部分工况下的内部流场矢量图，对图４．６到４．８喉管内部不同断面的速度分布分析整理得各个工况下最优喉管长度范围，如表４．１和表４．２：。

第30卷第2期江苏理工学院学报JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vo l.30，No.2 Apr.，20242024年4月气力输送是输送散装物料的重要工业运输方式，其根据运输物料的标准，可使用不同的运输形式，如稀相输送和密相输送。

在这种充满粒子的湍流流动中，存在着许多影响粒子运动的复杂微物理现象，如粒子之间的碰撞、粒子与壁面的碰撞、湍流流动等。

因此，密相输送有可能会使颗粒在管道中堆积，从而导致管道堵塞和振动。

为了避免这些不利影响，气力输送可以采用稀相输送，但稀相输送需要具有较高的空气速度，这就会导致额外的电力消耗。

因此，在管道气力输送系统的设计中，最好能保持尽可能低的空气速度，以实现固体颗粒的连续稳定输送[1]。

为了实现这一目标，研究气力输送系统的颗粒动力学尤为重要。

在过去的几十年里，人们通过实验测量和数值模拟对气固两相流的粒子动力学进行了大量研究。

Yan等人[2]将高速PIV实验法作为气固两相流实验方法，实验数据十分可靠，但成本较高。

因此，近些年来，数值计算被广泛运用于多相流研究[3]。

Almohammed等人[4]研究对比了Eluer-Eluer和Eluer-Lagrange这两种计算方法，发现使用Eluer-Lagrange计算方法可以得出更详细的运动信息。

Ebrahimi等人[5]使用计算流体动力学和离散单元（CFD-DEM）耦合法，将数值计算的数据与LDV实验数据进行对比，发现两种方法得出的结果基本一致。

因此，CFD-DEM耦合计算法可以较好地模拟颗粒在管道内的流动情况，也更易提取颗粒的运动信息[6-8]，这对优化管道气力运输系统有很大帮助。

为了降低管道气力输送系统的能耗，减小管道磨损，提高物料运输的稳定性，学者们做了很多研究工作。

Zhou等人[9]将旋风机应用于气力输送中，发现其具有较好的节能特性，且使中等旋风强度下的低平均速度和较弱旋风强度下的高平均速度的输送稳定性得到了提升。

蒸汽射流泵内流场数值模拟摘要：蒸汽射流泵作为气体压缩技术的关键部件，其内部的流动一直是研究重点。

虽然蒸汽射流泵的工作原理、结构设计已有大量的文献发表，但由于其内部流动状况较为复杂，到目前为止还没有深入的研究。

文中首先详细介绍了蒸汽射流泵的工作原理。

其次利用FLUENT计算软件对射流泵内的流场进行了数值模拟。

关键词：蒸汽射流泵，内部流场，数值模拟,研究1 引言射流泵作为液体或气体压缩技术的关键部件，是一种用来传递能量、质量的流体机械和混合反应设备，由于其本身没有运动部件，所以它结果简单、工作可靠、加工容易，且密封性好，便于综合利用。

而且射流泵本身对工作工质的要求不严格，常用于输送液体、气体和固体物。

射流泵正是凭着这些优越性，在电力、水利、冶金、交通、石油、化工、环境保护等国民经济各个部门都有广泛的应用。

但由于射流泵内部流动较为复杂，到目前还没有深入的研究。

因此，利用FLUENT软件对射流泵内的流场进行数值模拟具有十分重要的理论意义。

2 蒸汽射流泵工作原理通常用的蒸汽射流泵，主要由喷嘴、喉管、扩散管、喉管入口段、吸入室等部件组成，其结构如图1所示。

图1 蒸汽射流泵结构简图射流泵是利用射流紊动扩散作用来传递能量和质量的流体机械和混合反应设备。

蒸汽射流泵的工作流体和被吸流体都是蒸汽。

其工作原理：具有一定压力的工作蒸汽沿压力管路引入喷嘴，在喷嘴出口处由于射流和空气的粘滞作用，把喷嘴附近的空气带走，使喷嘴附近形成真空，在外界大气压作用下，被抽送蒸汽被吸上来，并随同高速工作蒸汽一同进入喉管内，在喉管内两股蒸汽发生动量交换，工作蒸汽将一部分能量传递给被抽送蒸汽。

这样，工作蒸汽速度减慢，被抽送蒸汽速度加快，到达喉管末端时两股蒸汽速度渐趋一致，混合过程基本完成。

该蒸汽然后进入扩散管，在扩散管内流速逐渐降低、压力上升，最后从排出管排出。

3 蒸汽射流泵数值模拟3.1几何模型建立利用FLUENT软件中的前处理器Gambit软件生成蒸汽射流泵模型，最后生成计算网络。

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响设备,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,在国民经济的开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:以单一变量法为根底, 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- &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比照, 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。

比照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。

吸入室直径对液气射流泵流场特性影响的数值模拟王佼;王迎樑;张峰【摘要】为了全面分析液气射流泵内部结构对液气射流泵吸气性能的影响,以提高液气射流泵整体吸气性能.利用Fluent软件对不同吸入室直径下液气射流泵内部流场进行了三维数值模拟,获得了液气射流泵内部压力场和速度场分布以及轴心静压曲线,并拟合出压力比、流量比、效率与不同吸入室直径的关系曲线.对比分析表明,吸入室直径的大小会对液气射流泵内部压力、速度及吸气效率产生很大影响.射流泵其他结构一定时,吸入室直径大小存在最优值或者最优范围,使得液气射流泵的吸气性能最佳.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2015(000)009【总页数】4页(P43-46)【关键词】Fluent;液气射流泵;吸入室直径;效率【作者】王佼;王迎樑;张峰【作者单位】太原理工大学环境科学与工程学院,山西太原030024;太原理工大学机械工程学院,山西太原030024;太原理工大学环境科学与工程学院,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH138;TU992.2引言离心式水泵是城市污水处理中的核心设备，离心式水泵正常排水前必须预先给泵体内灌水。

加底阀的灌水方式因为无形中增加了离心式水泵的抽水阻力，所以人们越来越倾向于采用无底阀抽真空灌水的方式来给泵体内灌水。

液气射流泵因为其结构简单、运行费用低、无运动部件、维修少、耐脏抗污、安全节能等优点，成为给离心式水泵抽真空灌水最理想的辅助设备。

液气射流泵是利用液体的紊动卷吸作用来抽吸空气以获得真空环境的喷射装置。

如图1所示，其主要由射流管、吸入管、喷嘴、喉管、扩散管、吸入室等组成。

液气射流泵的研究和应用至今已经有100多年的历史，国内外学者通过大量的试验研究，同时发展形成一系列的湍流理论，但由于液气射流泵两相湍流的复杂性，仍然不能完全认知其内部流动机理，抽吸效率低一直得不到有效改善，制约其进一步的发展应用。

图1 液气射流泵结构及其流态研究表明，液气射流泵的结构参数对液气射流泵的吸气效率影响显著，要想获得较高效率，喉管与喷嘴面积比要保持在4.5～6.2倍[1]，喷嘴距大致在1～1.7倍喷嘴直径[2]，喉管长径比最优范围为4～7倍[3]，扩散管扩散角应取在5°～8°[4]。