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。
关于恒定液体射流泵内部流体的能量转换与耗损已进行了深入研究［６～９］，而关于脉冲液体射流泵内部流体的能量传递与转换规律的研究甚少。
鉴此，本文根据脉冲液体射流泵主要流动部件的能量损失，研究了脉冲液体射流泵的能量转换与损耗，分析了其传能和传质机理，阐明了主要流动部件的能量变化及其对脉冲液体射流泵性能的影响，结果可供借鉴。
１ 工作原理与能量损失压力比（１）工作原理。
图１为脉冲液体射流泵的工作原理。
图中，Ｑ为流量；Ｐ为压力；ρ为密度；下标０、ｓ、ｃ分别为工作液体、被吸液体、混合液体；图１ 脉冲液体射流泵工作示意图Ｆｉｇ．１ Ｐｕｌｓｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｊｅｔ ｐｕｍｐ ｗｏｒｋｉｎｇ ｄｉａｇｒａｍｓ－ｓ为吸入室被吸流体断面；ｃ－ｃ为扩散管混合流体断面。
脉冲液体射流泵首先通过喷嘴射出有压脉冲工作液体，并在射流紊动扩散作用下吸入低压液体进入吸入室，然后两股不同压力的脉冲液体在喉管入口段和喉管内进行能量及质量的传递，这使脉冲工作液体流速减小、被吸液体速度增大，最后在喉管出口处两股脉冲液体的速度趋于一致，均匀后的脉冲液体经扩散管将部分动能转变为压能，并通过管道输出。
（２）能量损失压力比。
当两股不同压力的流体在脉冲液体射流泵内混合时将产生喉管进口段和喉管内的混合能量损失Ｈｆ１、喉管内沿程能量损失Ｈｆ２、扩散管能量损失Ｈｆ３、吸入段能量损失Ｈｆ４及喉管进口段沿程能量损失Ｈｆ５，其相应的能量损失比分别为：ｈｆ１＝ρ１ｇＨｆ１ｖ２０１ρ０／（）２（１）第３０卷第３期张晋华等：脉冲液体射流泵能量平衡的数值研究ｈｆ２＝ρ２ｇＨｆ２ｖ２０１ρ０／（）２（２）ｈｆ３＝ρｃｇＨｆ３ｖ２０１ρ０／（）２（３）ｈｆ４＝ρｓｇＨｆ４ｖ２０１ρ０／（）２（４）ｈｆ５＝ρｓｇＨｆ５ｖ２０１ρ０／（）２（５）式中，ρ１、ρ２分别为断面１－１、２－２流体密度；ｖ０１为喷嘴出口流速。
２ 脉冲液体射流泵能量损失的数值计算方法 脉冲液体射流泵性能的数值计算步骤可简化为原始参数输入模块、流速系数计算模块、动量修正系数计算模块、无因次时均值惯性项计算模块及各时均压力比计算模块５个模块，根据文献［８］中的数值计算程序，分别对脉冲液体射流泵和恒定液体射流泵主要流动部件的能量损失和基本性能及效率进行数值计算。
数值计算过程中喉管面积保持不变，通过变换喷嘴面积来改变脉冲液体射流泵的面积比ｍ。
本文共设计了５个孔口内径不同的喷嘴，其相应的面积比ｍ分别为２５．００、１６．００、１１．１１、７．１１、４．９４。
３ 脉冲液体射流泵能量损失的数值计算结果与分析３．１ 能量损失（１）理想能量压力比αφ２１ｈａ。
图２为脉冲液体射流泵和恒定液体射流泵的αφ２１ｈａ（α为喉管进口函数；φ１为喷嘴流速函数）与流量比ｑ的关系曲线。
由图可知，相同面积比时，两种射流泵，αφ２１ｈａ均随流量比的增大而逐渐减小，且恒定液体射流泵的αφ２１ｈａ取值均小于脉冲液体射流泵，表明相同流量比时，恒定液体射流泵的ｈａ较脉冲液体射流泵的小。
图２ 不同面积比时脉冲液体射流泵与恒定液体射流泵的αφ２１ｈａ比较Ｆｉｇ．２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆαφ２１ｈａｏｆ ｐｕｌｓｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｊｅｔ ｐｕｍｐａｎｄ ｓｔｅａｄｙ ｊｅｔ ｐｕｍｐ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｒｅａ ｒａｔｉｏｓ（２）混合能量损失。
图３为脉冲液体射流泵和恒定液体射流泵的αφ２１ｈｆ１与流量比ｑ的关系曲线。
由图可知：①不同面积比时，两种射流泵的αφ２１ｈｆ１均随流量比的增加而逐渐减小，并趋于同一值。
同时，随面积比增大，αφ２１ｈｆ１曲线向上移动，并趋于平缓。
②相同流量比时，随面积比的减小，两种射流泵的αφ２１ｈｆ１均逐渐减小。
③小面积比时（如ｍ＝４．９４、７．１１）两种射流泵的αφ２１ｈｆ１相差较大，大面积比时（如ｍ＝２５．００、１６．００）两种射流泵的αφ２１ｈｆ１较接近。
图３ 不同面积比时脉冲液体射流泵与恒定液体射流泵的αφ２１ｈｆ１比较Ｆｉｇ．３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆαφ２１ｈｆ１ｏｆ ｐｕｌｓｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｊｅｔ ｐｕｍｐａｎｄ ｓｔｅａｄｙ ｊｅｔ ｐｕｍｐ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｒｅａ ｒａｔｉｏｓ（３）其他能量损失。
图４分别为脉冲液体射流泵和恒定液体射流泵的αφ２１ｈｆ２、αφ２１ｈｆ３、αφ２１ｈｆ４及αφ２１ｈｆ５与流量比ｑ的关系曲线。
由图可知：①不同面积比时，两种射流泵的αφ２１ｈｆ２、αφ２１ｈｆ３、αφ２１ｈｆ４、αφ２１ｈｆ５均随流量比的增加而逐渐增加，且随面积比的增大曲线逐渐变缓。
②不同面积比的脉冲液体射流泵与恒定液体射流泵的αφ２１ｈｆ２、αφ２１ｈｆ３、αφ２１ｈｆ４相差甚微。
③相同流量比时，脉冲液体射流泵比恒定液体射流泵的αφ２１ｈｆ５小，并随着面积比的减小，二者差距逐渐增大。
３．２ 能量平衡不同能量损失压力比占理想能量压力比的百分比计算公式分别为：μ＝［ｈ／（αφ２１ｈａ）］×１００％（６） μｉ＝［αφ２１ｈｆｉ／（αφ２１ｈａ）］×１００％ ｉ＝１，２，…，５（７）式中，μ为射流泵压力比占理想能量压力比的百分比；ｈ为射流泵压力比；μｉ为各流动部件的能量百分比。
图５为脉冲液体射流泵与恒定液体射流泵的能量百分比曲线（由于篇幅限制，本文仅给出了ｍ＝２５．００、１１．１１、４．９４的数值计算结果）。
由图可知：①两种射流泵的混和损失压力比αφ２１ｈｆ１在·７３１·图４ 不同面积比时脉冲液体射流泵与恒定液体射流泵的αφ２１ｈｆ２、αφ２１ｈｆ３、αφ２１ｈｆ４及αφ２１ｈｆ５比较Ｆｉｇ．４ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆαφ２１ｈｆ２，αφ２１ｈｆ３，αφ２１ｈｆ４ａｎｄαφ２１ｈｆ５ｏｆ ｐｕｌｓｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｊｅｔ ｐｕｍｐ ａｎｄｓｔｅａｄｙ ｊｅｔ ｐｕｍｐ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｒｅａ ｒａｔｉｏｓ图５ 不同面积比时脉冲液体射流泵与恒定液体射流泵的能量百分比曲线Ｆｉｇ．５ Ｅｎｅｒｇｙ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｐｕｌｓｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｊｅｔ ｐｕｍｐ ａｎｄ ｓｔｅａｄｙ ｊｅｔ ｐｕｍｐ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｒｅａ ｒａｔｉｏｓ理想能量压力比中所占比重均较大，而其他损失压力比所占比重均较小。
②两种射流泵的μ、μ１随流量比的变化基本相同，即μ随流量比的增加逐渐增加，到一极大值后再逐渐减小；而μ１随流量比的增加逐渐减小，到一极小值后再逐渐增加。
但μ的极大值与μ１的极小值并不对应，若能对射流泵主要流动部件进行优化设计，即可大幅提高射流泵的效率。
③两种射流泵的μ２、μ３、μ４、μ５均随流量比的增加而逐渐增加。
３．３ 基本性能及效率脉冲液体射流泵和恒定流体射流泵基本性能ｈ及效率η的计算公式分别为：ｈ＝αφ２１（ｈａ－ｈｆ１－ｈｆ２－ｈｆ３－ｈｆ４－ｈｆ５）（８）η＝ρｃρ０ｈ１＋ｈ（９）图６为脉冲液体射流泵与恒定液体射流泵基本性能ｈ及效率η的对比。
由图可知：①两种射流泵的基本性能均随流量比的增加而逐渐减小，且曲线基本呈直线，并随面积比的增大逐渐变缓。
图６ 不同面积比时脉冲液体射流泵与恒定液体射流泵基本性能及效率比较Ｆｉｇ．６ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｈ ａｎｄηｏｆ ｐｕｌｓｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｊｅｔ ｐｕｍｐａｎｄ ｓｔｅａｄｙ ｊｅｔ ｐｕｍｐ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｒｅａ ｒａｔｉｏｓ·８３１·水 电 能 源 科 学 ２０１２年第３０卷第３期张晋华等：脉冲液体射流泵能量平衡的数值研究②不同面积比时，恒定液体射流泵基本性能均小于脉冲液体射流泵基本性能，从理论上表明脉冲液体射流泵确实能提高效率。
③随面积比的减小，相同流量比时，脉冲液体射流泵的时均压力比较恒定液体射流泵的时均压力比提高很多，表明小面积比（如ｍ＝７．１１、４．９４）时，脉冲液体射流泵的效率明显提高。
④相同面积比时，脉冲液体射流泵比恒定液体射流泵的工作范围大，即脉冲液体射流泵的最大流量比大于恒定液体射流泵的。
⑤脉冲液体射流泵的效率高于恒定液体射流泵的，且面积比越小，二者效率的差值越大。
４ 结语ａ．脉冲液体射流泵的能量特性除受射流泵的结构形式影响外，面积比和流量比亦是影响射流泵流动部件能量转换与耗损的主要因素。
ｂ．脉冲液体射流泵的ｈａ比恒定液体射流泵大，而ｈｆ５比恒定液体射流泵小，其他能量损失ｈｆ１、ｈｆ２、ｈｆ３、ｈｆ４二者比较接近。
ｃ．相同射流泵装置的数值计算结果表明，采用脉冲射流比采用恒定射流的传能传质效率有明显提高，即脉冲射流是提高射流泵效率的有效途径。
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