湍流模型从计算工作量上考虑,本文的湍流模型选用了一种二层代数模型<2>。这种湍流模型是在普朗特混合长度理论基础上发展而来,它不需要计算边界层厚度而代之以涡量的计算,从而消除了由于确定边界层外缘时存在的一些潜在误差和不定因素。Bald-win-Lomax模型可用于计算二维和三维分离流动,作者曾利用它计算了平板边界层、边界层上的激波、叶栅流动,得到了很好的结果。
混合管属于轴对称结构,取上半部进行计算。边界条件如所示,进口边界按充分发展湍流给出,压力参考点取在管壁出口处。以黄河大峡电站机组顶盖排水射流泵为例,文献<9>应用正交试验方法对其进行了研究,其主要结论是:影响射流泵排水效率的主要因素是面积比(混合管截面积与喷嘴出口面积之比).本文从文献<9>中选取两组实验数据,它们分别是该射流泵在*优和非*优结构参数组合下的实测结果。两者除了混合管直径不同因而面积比不同外,其他几何尺寸或尺寸比都完全相同。*优结构参数组合下面积比=2.78,排水效率为29.03%;非*优结构参数组合下面积比=1.78,排水效率为18.34%.其他具体工况参数见文献<9,10>.
由图可见:在*优工况下,径向空间足够,轴向上紊动边界层足够长,因此两股水流具有足够的能量交换空间,产生了较大的吸上压力。在这种工况下,吸上流量较大,因而具有较高排水效率的根本原因。在非*优工况下,径向空间狭窄,影响了两股水流的能量交换,并且从图中可以看出,两股水流的能量交换主要在混合管的前半部分完成,后半部分中心线上轴向速度变化很小,混合管过长,沿程水头损失加大。在这种工况下,面积比偏小以及不适当的混合管长度是排水效率低的主要原因。
是混合管不同横剖面上径向速度v分布图。由于高速射流的紊动扩散作用,两股流体在径向上进行能量交换,产生了径向速度,从某种程度上说,径向速度的大小体现了紊动扩散的程度。在两股流体的交界面上,速度梯度*大,能量交换也就*剧烈,相应的径向速度也就*大。在*优工况下,z/R=10.0,即混合管出口处,径向速度仍比较大,说明还有动量交换。因此,如果加大混合管长度,射流泵的效率会更加有所提高。在非*优工况下,z/R=6.40以后,径向速度变化已经相当小,说明这时基本上没有了紊动扩散,混合管长度应适当缩短。由此可见,现行的射流泵设计手册中将混合管长度设计成混合管直径的一定比例是不全面的,混合管长度还应和面积比相关联。
扩散管计算与分析在混合管内混合均匀的流体进入扩散管,经扩散管增压后排出射流泵。扩散管的作用是把射流泵混合管出口处的部分动能转变为压能。扩散损失与扩散管入口流速分布、扩散角有关。本文以*优工况参数进行计算。扩散角=8.6°,取上半部进行计算。区域剖分采用10×40网格,共400个单元,1303个节点。
是混合管、扩散管轴线压力水柱高度分布图,大峡电站机组顶盖排水射流泵试验装置的吸上水头是-1.2m,计算得到的出口压力水柱高度为15.8m,与实验值16.0m较为接近,这就从射流泵外特性方面验证了本文计算方法的正确性和计算精度。