摘 要

喷射泵主要特点有工作可靠，结构简单，操作安全方便，适用性广等。喷射泵主要被用作真空泵、气体压缩机，抽生物内部混合反应产生的气体和化学气体。其应用广泛，包括水利电力，供热，通风和制冷，化工，水污染处理处理等。而且它也是泵送放射性和危险液体的最佳选择。随着科技的发展，对喷射泵效率的提高方面的研究也增多。深入研究喷射泵的性能，提高喷射泵的效率，对喷射泵的使用具有很大的意义。CFD 是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而逐渐产生的新型数值模拟方法。同时喷射泵内部流动CFD仿真分析主要内容是通过流体动力学CFD方法，研究喷射泵的内部流动的状态，分析研究进出口压力、流速等参数对喷射泵性能的影响。

通过书本知识进行研究和了解喷射泵的特性后，建立喷射泵的3D模型，进行网格划分，借助流体力学CFD的方法对喷射泵进行数值模拟和分析。其中，主要喷射泵的喉嘴距、混合室长度等外部结构参数对喷射泵效率的影响。利用CFD软件比对喷射泵的工作效率，对不同尺寸参数的影响进行分析。对于不同结构喷射泵，一定存在某个范围内的喉嘴距、混合室长度使得喷射泵的使用效率较高。

关键词：喷射泵；3D建模；CFD；网格划分；数值模拟；参数研究。

Abstract

The main features of jet pump are reliable operation, simple structure, safe and convenient operation, wide applicability, etc. Jet pumps are mainly used as vacuum pumps and gas compressors to extract gases and chemical gases from the internal mixing reactions of organisms. It is widely used, including water and electricity, heating, ventilation and cooling, chemical industry, water pollution treatment and so on. It is also the best choice for pumping radioactive and dangerous liquids. With the development of science and technology, the research on improving the efficiency of jet pump has also increased. It is of great significance for the use of jet pump to study the performance of jet pump and improve the efficiency of jet pump. CFD is a new numerical simulation method which is gradually produced with the development of computer technology and numerical computing technology. At the same time, the main content of CFD simulation analysis of the internal flow of jet pump is to study the internal flow state of jet pump through hydrodynamic CFD method, and to analyze the influence of inlet and outlet pressure, flow rate and other parameters on the performance of jet pump.

After studying and understanding the characteristics of the jet pump through book knowledge, the 3D model of the jet pump is established, the mesh is divided, and the numerical simulation and analysis of the jet pump are carried out by means of hydrodynamic CFD method. Among them, the main jet pump throat distance, mixing chamber length and other external structural parameters affect the efficiency of the jet pump. Comparing the working efficiency of jet pump with CFD software, the influence of different size parameters was analyzed. For different structure jet pumps, there must be a certain range of throat distance and mixing chamber length, which makes the use efficiency of jet pumps higher.

Key Words：Jet pump; 3D modeling; CFD; meshing; numerical simulation; study on parameters.

目录

第1章 绪论 5

1.1研究目的与意义 5

1.1.1研究目的 5

1.1.2研究意义 5

1.2国内外研究现状 6

1.2.1国外研究现状 6

1.2.2国内研究现状 7

1.3论文主要研究内容 8

1.3.1研究内容 8

1.3.2研究路线 8

第2章 与喷射泵相关的基本理论 10

2.1喷射泵的工作过程 10

2.2CFD的简介 11

2.3计算流体力学控制方程 13

2.3.1连续性方程 13

2.3.2运动方程 13

2.3.3 能量方程 13

2.4标准k-ε湍流模型 14

2.5 CFD软件的介绍 14

2.6 ANSYS软件简介 15

本章小结 15

第3章 喷射泵内部流动的数值模拟 16

3.1喷射泵模型的建立 16

3.1.1CREO模型的建立 16

3.2流体抽取和网格划分 19

3.2.1SPACECLAIM软件进行流体抽取 19

3.2.2MESH软件进行网格划分 19

3.3 模型数值模拟 21

3.3.1操作过程 21

3.3.2稳态分析 29

3.3.3瞬态分析 31

本章小结 33

第4章 喷射泵内部流动参数研究 34

4.1 不同混合室长度的研究 34

4.2 不同喉嘴距长度的研究 39

本章小结 44

第5章 总结与展望 45

5.1 总结 45

5.2 展望 45

参考文献 46

致谢 48

第1章 绪论

1.1研究目的与意义

1.1.1研究目的

在科技飞速发展的今天，任何的设备都讲究高速高效，当然泵类也不例外。因此对于泵类设备的优化的需求与日俱增，随着科学计算不断的发展，我们对计算机的使用也更加娴熟和高效，通过先进的计算机技术，和对泵类设备进行优化的实验操作相结合，也就是CFD仿真分析技术。随着计算机技术发展起来的计算流体力CFD已经和实验流体力学、分析流体力学并列成为解决流体动力学问题的三大法宝。也为优化和改良喷射泵的综合效率做出了极大的贡献。

本文正是在前人的CFD理论及大家所做的实验基础上，探索对喷射泵的效率进行优化的方法，通过对不同参数研究的数值模拟结构对喷射泵的性能进行预测，这也是CFD软件强大的体现。

1.1.2研究意义

喷射泵主要特点有工作可靠，结构简单，操作安全方便，适用性广等。喷射泵主要被用作真空泵、气体压缩机，抽生物内部混合反应产生的气体和化学气体等。喷射泵广泛地应用在水利电力，供热，通风和制冷，化工，水污染处理处理等。对于泵送放射性和危险液体，其为最佳选择，因为它没有运动部件，因此没有维护。然而，由于所涉及的质量的动量的能量转移，其中的的物理现象非常复杂。所以喷射泵同时也还存在使用效率低下及在用作真空泵时喷射泵的极限真空度受到工作液体的汽化压力的限制的一些缺点。因此，深入研究喷射泵的性能，提高喷射泵的效率，对喷射泵的使用具有很大的意义。由于喷射泵其独特的结构和特点，喷射泵的开发、生产和应用将有很大的发展前途，因此为了取得更好的经济效益和使用效益，必须进一步深化对喷射泵各方面性能的研究。CFD 是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而逐渐产生的新型数值模拟方法。同时喷射泵内部流动CFD仿真分析主要内容是通过流体动力学CFD方法，研究喷射泵的内部流动的状态，分析研究进出口压力、流速等参数对喷射泵性能的影响。

很多因素都决定着喷射泵的传输效率,其中喷射泵的参数研究为本文主要研究方向。为了使喷射泵能达到最佳的传输效能并发挥最大的效率，对其内部流动特性的研究是必不可少的。结构尺寸参数的改良则能直接的优化喷射泵的性能。所以，为了提高喷射泵的性能，尺寸参数的研究成为了首当其冲的问题。

继往开来，有关喷射泵的结构设计的研究和其内部流动的研究，最终都是给提高喷射的效率服务。泵内部流动的复杂的内部复杂的流场，以前的测试和理论计算，仅是在试验和纯理论方面下功夫，实验过程消耗的时间和精力都很大，同时喷射泵内部流场的区别又很大，从而对喷射泵的研究大多停留在表面，只是单纯的通过改计就算方法来对喷射泵进行优化。数值模拟的出现很大程度上解决了这一点，通过模拟内部流动的细节，使得分析结果较为准确且消耗的人力和时间较少。因此，数值模拟成为喷射泵研究的主流方法 ，是对喷射泵进行研究的重要方向。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

根据有关文献记载，有趣的是最初喷射泵并不是叫喷射泵，而是叫喷射器。早在16世纪就存在有关喷射的记载，其理论德国学者泽纳于1860年左右提出。 1880年前后，泽纳与兰金^[1]总结了关于喷射器的设计的最早相关作品，由于科学基础较薄弱，技术也比较落后，该理论存在诸多缺陷。随后1940年左右，喷射泵的研究逐渐发展，基南和诺伊曼研究喷射泵的相关特点，最后成功得到了关于喷射器性能的曲线。这些也为后来的喷射泵研究打下基础，同时，提高喷射泵的性能，成为科研人员关注的重点。

近代以来，科学技术在飞速发展，特别是计算机科学技术的发展，数值模拟计算技术逐渐强大，CFD应运而生。为了更好的研究喷射泵的内部流动情况，人们开始将CFD仿真分析运用到喷射泵上，模拟其内部流动，从而对喷射泵的综合效率进行优化。

国外关于喷射泵的数值模拟实验，最早开始的实验者是赫吉和希尔。这也是首次针对喷射泵的内部流动的数值模拟，对喷射泵的优化和CFD仿真而言，这都是极其重要的开端。随着 CFD 的发展和壮大、人们对于其的运用也更为娴熟，这也就让对喷射泵内部复杂的流动情况进行分析成为可能。纳特豪特^[2]首先就喷嘴尺寸这一结构参数开展研究，利用CFD软件，主要针对其直径的改变，生产多组喷射泵模型，对不同喉嘴尺寸的喷射泵模型进行研究，最后根据仿真分析得出的数据进行研究。与纳特豪特不同，X.Yang^[3]的方向是喷嘴喷射口的形状，随意改变喷嘴的几何形状，利用CFD软件进行分析，此次研究确定圆锥形喷嘴的综合效率优于其它几何外形的喷嘴。随后，皮农等人通过对不同混合室喉管长度的喷射泵进行CFD仿真分析，发现存在一定范围内的混合室长度，使得喷射泵的效率最佳。再就是关于热泵系统的研究，里法等人^[4],[5]利用CFD对喷射泵的效率进行研究，最后分析出泵的效率高低会被喷嘴的位置影响。

1.2.2国内研究现状

对喷射技术理论、国内的实验及应用的研究开展的略微滞后，是从 20 世纪 60年代开始。由于当时科学技术方面的欠缺，在国内，大部分的科研人员对于喷射泵的研究都建立在前苏联的理论基础上。到了近代，科学技术不断发展，特别是计算机的出现给予了科研人员们更好的选择，于是更多的科研人员开始选择CFD的方法，对喷射泵内部的流场进行数值模拟和分析计算，因此人们对喷射泵内部流场的流动规律和影响喷射泵内部流动的因素有了更加深刻的认识，也更好的对喷射泵进行性能优化。

对于喷射泵的参数研究，近些年来国内有许多科研人员做出了很大的贡献。在2006年，王常斌使用CFD仿真分析，选择标准的K-ε湍流模型开始了对喷射泵内部流动过程的数值模拟，他进行的是对于轴向方向上的速度研究。最后他得出，与扩压管不同，混合室轴向的速度分布的研究，可以展示出更好的自相似性，值得一提的是这种速度发生变化的转折点和喉管的大小有关^[6]。也就是喷射泵的结构参数对效率会产生影响 ，于是有关喷射泵结构尺寸的研究进一步增多。2007 年，文吉运研究了喉管长度这一参数对喷射泵效率的影响。借助可压缩流体的相关体理论，分析了喷射泵内部的流动状态，选取对不同长度喉管的喷射泵模型对其内部流动进行仿真分析，最后得出了有关喷射泵的喉管长度的最佳尺寸^[7]。 2011年，魏淑惠的喷射泵内部流动的相关分析为：模拟不同流速入口条件下，喷射泵内部流场的的压力分布和速度分布的具体情况情况^[8]。她做的相关实验可以得出，喷射泵内部的流动过程，压力会逐渐变化，并且压力会有两次极大值出现，这两点是喷嘴的出口处产生的高压和扩压管的入口处产生的高压，同时这两个点的径向的位置也不相同。龙新平针对扩压管的扩散角大小对喷射泵进行数值模拟的研究。一样的K-ε湍流模型，对比具有不同扩散角的扩压管，通过这些模型进行仿真分析得出的数据进行研究，最终推论不同的扩散角会对喷射泵使用效率产生影响，其中沿程的能量损失和扩散的能量损失尤为严重，并且有关喷射泵扩散角的选取涉及到多方面，最后应综合效率和经济两方面考虑^[9]。

由以上数据可知，对于喷射泵内部流动的研究其实还十分欠缺，学习和使用CFD的方法成为提高喷射泵综合效率的基础。CFD的使用对于解决生产实际中遇到的问题有着重要意义。目前无论哪种CFD软件都需要依赖网格生成技术，所以网格生成技术的发展对于CFD软件的发展有着重要意义。在可以预见的未来，在网格生成技术得到提升的前提下，CFD软件解决实际问题，验证不同喉嘴距、不同面积比、不同混合管长度对喷射泵性能有影响，为泵内部流体流动提供模拟，对泵内诸如流体脉动，进出口压力等参数的可视化的效率都会大大提高。随着云计算这一概念的提出与推广，未来CFD的计算能力会有大幅度的提升。所以，学习CFD的使用对于喷射泵的研究，对于喷射泵内部流动的仿真有着重要意义。

1.3论文主要研究内容

1.3.1研究内容

（1）绘制喷射泵的三维结构模型和流场模型；

（2）划分流场网格并检查网格质量；

（3）采用CFD方法研究喷射泵内部流动的特点；

（4）喷射泵性能影响参数的研究；

1.3.2研究路线

本文工作包括：建立喷射泵内部流体模型，利用流体动力学CFD方法，为喷射泵模型进行划分网格，在Fluent软件中设定相应流体参数，选择相应的湍流模型，利用Fluent的分析能力绘制压力场，速度场等参数的图表，研究外部结构参数对喷射泵性能的影响，最后根据所得数据研究喷射泵的效率与结构尺寸的关系。总的研究路线如下图。

图1-1本文主要研究路线



（１）对引用文献中的喷射泵的结构简化处理，建立喷射泵结构的三维模型，并对喷射泵模型进行网格划分。在FLUENT软件中选定欧拉多相流模型开始对喷射泵的数值模拟，最后对FLUENT运行过后的数据进行一定的分析，再通过最好的结果与之前的试验得出的数据进行反复比对，从而对所选模型的进行验证。

（２）结构尺寸的数据对喷射泵的性能有着一定的影响，依靠CFD软件的强大功能，进行模拟。

参数研究主要从下面两个方面着手：

1. 喷射泵的混合段长度
2. 喷射泵的喉嘴距离

第2章 与喷射泵相关的基本理论

2.1喷射泵的工作过程

喷射泵是一种流体动力泵（结构图如图2.1）。其工作原理大致可分为四个过程：喷射过程、引射过程、混合过程和扩压过程。喷射过程，水射水泵的喷嘴是段流道截面急剧收缩的收敛喷嘴,一般采用螺纹与泵体相连接，以便拆换，它一端与工作水人口管相连,另-端插人吸人室内。工作水通常由离心泵提供,工作水压Pp为0.3.1.5MPa。工作水流经喷嘴时，它的压力降到p。,压力能转换为动能，以25-50m/s的高速度流出喷嘴,形成射流；引射过程， 工作水以很高的流速射出喷嘴，在喷喘周围与引射水开始混和,随后动量开始交换,吸人室此时形成了低压,最后被引射的水在液面压力的作用下就不断地被吸进吸人室,并与工作水一起进人混合室。需要注意的是,这里所指的介质包括少量的空气、水蒸气以及被引射的水；混合过程，在引射过程中,工作水和引射水虽然经过紊流掺混,但掺混后的流体流速极不均匀,这要是由于工作水与被引射水的速度差过大造成的。事实上，进人扩压室时的液沙士度越不匀,扩压室中的能量损失就越大。因此,混合室的功用就是将从吸入室出来的 进分的动量交换，使流体在混合室出口以均匀流速流人扩压室；扩压过程，工作流体和被引射流体在混合室混合，进行充分的动量交换,进人扩压室。

图2.1 喷射泵结构

喷射泵中的扩压管，从外形上看它是一节逐渐向外逐渐变宽的圆台状的管子，扩压管中的流体流速慢慢降低,与此同时压力增加。从能量方面分析，这个阶段动能转换为压力能。扩压室的扩张角一般在8°~10°,在这个范围可使扩压过程的能量损失最小。由于喷射泵没有机械传动和运动部件，其原理是一种流体借助另一种工作流体的能量做动力进行流体的运输，喷射泵在抽吸易燃易爆的液体或气体时表现出极好的安全性。喷射泵工作环境一般为高温、高压、高真空的环境。例如真空的蒸发、干燥、制冷、蒸馏等操作。喷射泵还可提升液、碱或含有磨料的悬浮液。与此同时，喷射泵也适用于强辐射的特殊环境。

2.2CFD的简介

研究流体动力学和热量传递问题通常有三种最常见的方法：理论分析的方法，实验测试的方法，再就是数值模拟的方法。工业设计中，理论分析的方法和实验测试的方法尽管仍然发挥着重要的作用，与此同时计算机技术的在持续的迅猛发展，通过计算机数值模拟从而对现有设备的改进、系统的优化或者新结构的设计等方面的操作，可以大大提高经济效率和使用效率，这就使得数值模拟这项技术逐渐成为一种备受关注的方向。

CFD 是英文 Computational Fluid Dynamics(计算流体力学)的简称。进入21世纪以来，科学技术在飞速发展，特别是计算机科学技术的发展，数值模拟计算技术逐渐强大，CFD应运而生。CFD的任务包括：对各种流体流动过程中产生的问题进行数值计算，从而找到有效的解决方法。通过离散化的方法，对流体进行数值仿真，最后使用计算机来进行计算。简而言之，CFD方法就是使用同样的“虚拟”模型，然后在计算机上进行流场分析，真正做到用模拟来代替现实的物体这样一种方法，最后通过计算来得出实际流体的流动情况。CFD基本原理是通过对控制流体的微分方程进行数值求解，然后再得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，最终让流体流动的情况大概被模拟。因此，CFD不仅是简单的数学或者流体力学所产生的分支，它是将流体动力学、数学和计算机科学联系在一起的一个全新的重要学科^[10]，[11]（如图2.2所示）。在处理内部流动问题时，利用CFD，我们可以得到流场设定的参数的计算结果，首先这让对喷射泵内部流动的规律影响更加方便，可以分析各种结构参数对其影响^[12]，与此同时还能迅速地通过数值模拟的结果对设计方案进行评估，然后这些结果还可以对后续的实验验证进行指导，从而提高研发设计的整体水平，大幅度提高经济效益、降低工业所需的研制成本^[13]。

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