本科毕业设计（论文）开题报告：固定型环形多喷嘴压后排液射流泵设计

1 课题的目的及应用

    射流泵是一种流体输送机械及混合反应设备，其特点是本身没有运动部件，结构简单，且工作可靠，密封性好，适宜在高温、高压、真空、放射和水下等特殊条件下工作。

    射流泵通过高速射流提升低速被吸液体的能量，从而增加整体压能，将与其他工作泵组合使用可提高整个装置的吸程，改善汽蚀性能。正是由于这一系列优点，射流泵在农牧渔业、水利电力、交通运输和环境保护等国民经济各部门都有广泛的应用。

    射流泵基本结构如图1所示，主要有三部分组成:喷嘴、喉管和扩散管。其工作原理是将工作流体通过喷高嘴速喷出，同时静压能部分转换为动能。管内形成真空，低压液体被吸入管内。两股液体在喉管中进行混合和能量交换，工作液体速度减小，被吸液体速度增大，压力逐渐增加，在喉管出口处速度趋于一致。混合液体通过扩散管时，随着流道的增大，速度逐渐降低，动能转化为压力能，混合液体压力随之升高。

由于射流泵独特的结构与特点，可以预见今后它的开发、生产和应用将有很大的发展，因此为了取得更好的综合经济效益，必须进一步深化对其各方面性能的研究。

2 国内外研究现状

1-动力液管 2-喷嘴 3-混合室 4-喉管 5-扩散管 6-吸入管

图1 射流泵工作流程示意图

（1）设计理论研究

射流泵设计理论研究已有100多年的历史。早在19世纪60年代，德国学者Zeuner根据动量定理，建立了射流泵的设计理论基础。1870年，Zeuner和Rakine进一步发展和完善了这个理论[1]。但他们的理论还不能解决射流泵的计算问题，直到1930年以后随着流体力学和空气动力学的发展，才推动了射流泵设计理论的发展成熟。Gosline在1933年系统地对液体射流泵进行了试验研究，建立了它的基本性能方程[2]。1942年Coff提出了用二元方法计算喷射器[3]。1952年，Maconaghy提出射流泵性能的计算方法[4]。Bonnigton通过对水和水气射流泵进行详细试验后，在1956年提出了射流泵各部件的合理尺寸[5]。1965年，Hansen提出液体射流泵的设计方法[6]。我国著名学者陆宏圻教授在1989年比较全面给出了各种射流泵的设计理论和设计方法[7]，为以后的研究工作奠定了坚实的基础。近几年来，随着射流泵应用的深入，针对各种特殊的射流泵，人们提出了相应的新的设计理论。江苏大学李传君[8]等通过对废气射流装置工作原理的分析，提出采用单相气体等熵流动理论来设计和计算射流装置的主要工作参数，其研究结果显示试验值和理论值基本吻合，从而为合理设计该类型的射流装置提供了很好的依据。沙洲工学院张[9]基于平面势流理论对混凝土射流泵装置的主要参数进行了理论设计，并根据射流泵装置内固液两相混合流动的特殊情况，通过流体的流动及混合特性计算出混凝土射流泵装置的性能，形成了一套新的设计方法。射流泵的效率是其设计理论中的核心问题，由于射流泵中两股流体混合时能量损失较大，导致其效率较低，所以如何选择最优的设计参数来提高射流泵的效率，一直以来是人们研究的重点。

20世纪70年代以来，国内外学者主要通过两种途径来提高射流泵的效率:一种途径是通过改进射流泵的结构，实现参数最优化。Winoto等[10]通过理论分析和实验得出圆形喷嘴在其喷嘴面积与喉管面积之比为0.3时，射流泵具有最高的效率。Ning和Satofuka[11]用一个与时间相关的N-S方程的显式解，在引入了管宽与喷嘴宽度比、喷嘴压力比和雷诺数三个参数的基础上，分析二维流场，结果说明存在对应最高效率的最优管宽与喷嘴宽度比，而大的喷嘴压力比能产生较高的效率。浙江大学的王常斌等[12]根据能量守恒原理得出了射流泵效率计算公式，并利用多元函数极值原理给出了射流泵最优参数方程，其结论表明在等密度体系和给定摩擦损失系数条件下，最优面积比为0.28；摩擦损失系数是影响射流泵效率的主要因素；最优面积比只与摩擦损失系数有关，而与流体间的密度比无关。武汉大学梁爱国等[13]在考虑射流泵几何形状和结构尺寸对其性能影响的情况下，计算了多个面积比下射流泵的性能，最后以效率最高为评价尺度，综合壁面压力分析得出在面积比m=3.0-8.0时，射流泵最优喉管长度Lk=(0.222+5.6154)d3(d3为喉管直径)。另一种提高射流泵效率的有效方法是在相同的射流泵装置上，采用非恒定射流，如脉冲射流、振荡射流[14]。国外方面，法国学者Crow等，于1971年首先在射流泵装置上进行了脉冲射流的试验研究，结果表明脉冲射流的卷吸率比恒定射流提高了32%。1990年，Bremhorst和Hollis指出正是由于脉冲射流流场分布不同于恒定射流，才导致射流的卷吸率和混合率有较大的提高。20世纪80年代初，在英国燃料公司的支持下，Grant等与Sheffield和Cardiff大学合作，利用脉冲射流理论，研制了气液活塞式脉冲液体射流泵装置，并进行了工业模型的试验，现已普遍应用于英国热铀后处理厂，取得了巨大的经济效益。国内方面，陆宏圻教授在1986年进行了脉冲离心射流真空泵的研制工作，并对其运行机理进行了研究，提出了基本方程。自1994年以来，龙新平对脉冲液体射流泵进行了一系列基础性研究，其结果表明，脉冲液体射流泵的效率明显高于恒定流射流泵。1995年，高传昌采用不同口径的喷嘴、面积比、喉嘴距和脉冲频率等几何参数和工作参数对气液活塞式脉冲射流泵进行了探索试验，初步掌握了装置运行的稳定条件。

总的来说，对于非恒定射流(特别是脉冲射流)的各方面研究仍未深入，基本上还停留在原型试验阶段。虽然通过大量的试验结果证明了脉冲射流的传能效率确实比恒定射流要高，但其设计理论以流动机理需要进一步探讨。

（2）内部流动研究

射流泵内部流体流动属于高雷诺数的强剪切湍流射流，其射流速度较大，当雷诺数超过某一临界值时，切向间断面不稳定并出现涡漩，这些涡漩在流动中各处作不规则的运动，由此发生微团间的动量交换、热量交换或质量交换。由于湍射流流至具有一定的速度和压力的流场内，使整个流动不具有相似的性质，使问题复杂化；所以长期以来人们对于射流泵内部流动机理认识不充分。近几年来，随着试验测试手段的发展和CFD软件的出现，使人们可以通过试验和数值模拟两种手段研究射流泵内的流场，从而揭示其内部流动规律。

在试验研究方面，最常用的测试手段有速度与压力探针、热线风速仪和激光测速仪，但这几种方法的共同缺点是:只能完成流场的单点测量。而对于复杂的湍流射流结构，全流场同时的测量结果更有意义。有鉴于此，武汉大学的梁爱国等[15]利用先进的PIV技术，测量显示了射流泵内部各个瞬时全流场的流动情况，并分析了喉管部的流场，其结论表明: 射流泵内流动结构大致可分为核流区、射流边界层区、回流区和管流区。在射流泵结构一定情况下(即喷嘴与喉管的面积比一定)，流动的结构只与流量比有关，当流量比大时，射流衰减很慢，核流区较长；当流量比小时，射流衰减很快，核流区较短，并有回流出现，引起效率降低。所以应选择合适的流量比能使射流泵在高效区运行。顾磊、张景松[16]等利用了液体射流泵在汽蚀工况下流量比不变的特征，通过实验研究了射流泵的形状及工作参数对其汽蚀流量比和装置效率的影响，对单级和双级射流泵的工作性能进行了对比试验，通过分析找到了合适的射流泵配比方案。段新胜和孙孝庆[17]在1999年通过大量对比性试验，对环形多喷嘴射流泵做了深入研究，得出合理设计环形多喷嘴射流泵的各结构参数可显著改善射流泵的工作性能；其喉管进口角不应超过45°；喉管长度与直径的比值L/d3可比中心射流泵小，L/d3≥3.5即可；喷嘴个数并不是越多越好，一般n≤6；喷嘴安装角和喉嘴距决定着高速射流是否会产生附壁流动，它们应同时取较大值或较小值， 但喷嘴安装角在任何情况下都不能太小。

数值模拟是近年来广泛采用的一种新型研究手段，它通过计算机数值计算与图象显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统作出各种分析，从而得到极其复杂问题的流场内各个位置的基本物理量(如速度、压力、温度等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，正确的模拟结果能指导流体机械的设计，从而避免了烦琐的模型试验，减少了设计成本，为试验研究提供良好的理论基础。目前应用最多的是借助FLUENT这一软件平台，采用N-S方程配合可实现的k-ε湍流模型来对射流泵内的流场进行三维数值模拟。武汉大学的常洪军和朱熠[18]利用此方法计算得出了射流泵三维流场的速度和压力分布情况。浙江大学王常斌等[19]通过数值模拟，得出结论:流场轴向速度剖面在扩散管段具有较好的自相似性，而在喉管段则不然；这种速度剖面变化的转折点与喉管的长度有关；流场的湍动能分别在喷嘴出口与扩散管入口处产生峰值，并且前者远大于后者，可见射流泵流场中，湍流主要发生在喉管入口处，湍动能的不平衡将导致额外的能量损失。另一方面，随着各类学科交叉的深入，我国学者李同卓等[20]提出采用概率论中的蒙特卡罗法对射流泵内部流场进行了数值模拟，从速度矢量图和轴心线速度图以及几个断面的速度分布来看，模拟的结果符合工程实际情况，这一方法为今后数值模拟方面的研究开辟了新的道路。

（3）基本应用研究

我国在60年代为解决甘肃省河西走廊提取地下水问题，开始将射流泵和离心泵相结合研制射流式井泵，由于加装了射流泵使整个井泵的吸程为离心泵吸程和射流泵增能部分之和，这一设备可代替传统的潜水泵从深10m以上的井中抽水。现在射流泵在加压及提高汽蚀性能这一方面的应用更加广泛。中原油田分公司刘春旺等[21]采用文丘里管射流泵装置回收低压天然气，该装置可将来自油水储罐的汽化天然气压缩成中压气，输送到不同用途的输气系统中；另外，这一装置还可用来回收乙二醇脱水器、加热处理器及低压分离器等的排出气体。2002年5月15日，该装置开始在美国得克萨斯ElEbanito油气开采设备中使用，它每天回收的气量可创收336780美元。江苏大学孔繁余等[22]针对大型碳酸盐泵机组和进出口管线发生异常噪声和振动现象，分析是由于泵汽蚀所致，提出在泵进口管线处增设射流装置，将泵自身出口的一部分高压液体引入到射流装置，并与来自储罐的液体混合，增加液体压头后提供给泵进口，以提高泵的有效汽蚀余量，有效地解决了泵机组及进出口管线的异常噪声、振动问题，消除了化工系统的安全生产隐患。此外，射流泵喷嘴处的高速液流能形成低压，将其应用于自吸离心泵可有效地缩短自吸时间。江苏大学的刘建瑞等[23]在以汽油机为动力的离心泵的基础上增设了一个带文吐里管的自循环射流器，利用泵压水室有压流体通过射流器喷嘴高速射向泵的进口处，对离心泵的进口管路造成较强的抽吸真空，实现普通离心泵的自吸启动，离心泵正常工作后，这时将自循环射流器上的阀关闭，自循环射流器停止工作。经试验，加装射流装置后的自吸离心泵的自吸时间短，性能曲线稳定、平坦，高效率区范围宽、工况佳；整台泵的自吸高度在5m时自吸时间是90s及95s，比国家标准快10s及5s，泵的效率提高3%以上。

3 毕业设计（论文）的主要内容

（1）查阅、收集有关射流泵的资料，理解射流泵原理与结构，了解国内外射流泵的研究与应用现状和发展趋势，搞清本次毕业设计所要设计的内容，在此基础上完成开题报告。

（2）查阅有关射流泵的外文资料并选定一篇进行翻译。

（3）分析常规采油射流泵的结构特点及其所存在的缺陷，提出投捞式液体驱动射流泵采油装置的的设计方案。

（4）画出结构草图，并根据任务书所给数据进行计算和校核，确定射流泵的各零部件具体尺寸，如有需要，对初步方案和草图进行修改。

（5）画出射流泵的装配图和各零部件的零件图。

（6）完成毕业设计论文。

4 所采用的方法、手段及步骤等

本次设计主要采用的方法是文献研究法，，通过查阅和收集有关射流泵原理结构和在油气举升应用方面的论文、专利、期刊和书籍，了解普通射流泵采油装置的原理、结构以及存在的问题，提出自己的更好的方案。具体步骤如下：

（1）查阅和收集有关射流泵在油气举升应用方面的资料，了解普通射流泵采油装置的原理、结构。

（2）分析常规射流泵采油装置存在的缺陷，提出投捞式液体驱动射流泵采油装置的的设计方案。

（3）根据方案画出结构草图，并进行计算、校核和必要的修改，确定射流泵的各零部件具体尺寸。

（4）画出投捞式液体驱动射流泵采油装置的装配图和各零部件的零件图。

5 阶段进度计划

参考文献

[1] 　王常斌. 射流泵最佳参数的确定方法[J]. 流体机械，2004， 32 (9): 21 – 25.

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[3] 　王玲花，高传昌. 脉冲射流泵研究进展[ ]. 水利电力机械， 2006， 28 (6) : 33 – 35.

[4] 　梁爱国，龙新平，何培杰. 应用P IV技术测量射流泵内部流场[J] . 水泵技术， 2004 (1) : 10 - 14.

[5] 　顾　磊，张景松，杨春敏. 汽蚀工况液体射流泵的实验研究[J]. 流体机械， 2006， 34 (2) : 7 – 9.

[6] 　段新胜，孙孝庆. 环形多喷嘴射流泵结构参数的实验研究[J]. 探矿工程， 1999， 21 (6) : 17 – 19.

[7] 　常洪军，朱　熠. 液体射流泵内部三维流场的数值模拟[J]. 排灌机械， 2005， 23 (6) : 13 - 15.

[8] 　王常斌，林建忠，石　兴. 射流泵湍流场的数值模拟与实验研究[J] . 高校化学工程学报， 2006， 20 (4) :175 - 179.

[9] 　李同卓，郑邦民，陆宏圻. 蒙特卡罗法对射流泵模型内部流场的数值模拟[J]. 华北水利水电学院学报，2005， 26 (3): 42 - 44.

[10]  刘春旺，刘新全，马连俊. 用文丘里管射流装置收集储罐中的天然气[J]. 石油机械， 2005， 33 ( 2) : 64 -65.

[11]  孔繁余，陈　刚，刘建瑞. 用射流装置消除大型泵机组的汽蚀振动[J]. 中国安全科学学报， 2005， 15 (4) :62 - 65.

[12]  刘建瑞，施卫东，叶忠明. 离心泵射流自吸装置的研究[J] . 农业工程学报， 2006， 22 (1) : 89 - 92.

指导教师意见：

指导教师签名：

年    月    日

系（教研室）意见：

主任签字：

年    月    日