付兴亮　徐琰

【摘 要】射流泵是一种利用工作流体的高速射流来输送流体的设备，本文介绍了将射流泵用于含泥浆放射性废液提取和输送的工艺方案，并用CFD模拟的方法对其中的关键设备射流泵进行优化设计和选型。通过模拟不同结构参数和边界条件下射流泵内部流场的分布，选择最佳的结构参数和工作参数，为将该技术应用到工程实践中提供支持。

【关键词】放射性废液；提取和输送；射流泵；数值模拟

0 引言

目前国内已有一定规模放射性废液输送的工程经验，但尚无大型放射性贮槽倒空的先例，为了实现大型放射性废液贮槽倒空，需要对含泥浆废液的提取和输送工艺及关键设备进行充分的研究和验证。射流泵具有没有内部运动部件、结构简单、无泄漏、无液位限制、易于加工等特点，当工作液体和引射液体为同一种液体时，射流泵工作过程中不产生废气、不增加废液，所以在放射性流体输送方面有独特的优越性[1，2]。但是，目前国内尚无射流泵在放射性废液输送工程中应用的先例。本文介绍了大型放射性废液貯槽中含泥浆废液的提取和输送方案，并采用CFD数值模拟方法对关键设备射流泵进行研究，CFD模拟可部分减少射流泵研制过程中水力学结构尺寸的反复，缩短设计和验证周期。

1 射流泵装置原理

射流泵装置主要由射流泵与为其提供动力的工作离心泵组成，原理见图1。

图1 射流泵装置原理示意图

射流泵是一种利用工作流体的高速射流来输送流体的设备。射流泵的工作原理是工作液体从动力源（如：工作离心泵）沿压力管路引入喷嘴，在喷嘴出口处由于射流和被引射流体之间的粘滞作用，把喷嘴附近的空气带走，使喷嘴附近形成真空，在外界大气压力作用下，引射液体从吸入管路被吸上来，并随高速工作液体一同进入喉管内，在喉管内两股液体发生动量交换，工作液体将一部分能量传递给引射液体，到达喉管末端两股液体的速度渐趋一致，然后进入扩散管，在扩散管内将大部分动能转化为压力能，最后从排出管排出。

工作离心泵为射流泵提供高速工作流体，其选型应以射流泵的工艺参数要求为依据，通过对射流泵装置进行系统设计和验证，可使其具有抽吸泥浆和长距离输送的功能。

2 射流泵数值模拟研究

2.1 射流泵设计

本文在国内外对射流泵研究和应用的基础上，用索科洛夫的喷射器理论进行射流泵的结构设计。射流泵的主要结构参数包括射流泵喷嘴与喉管面积比、喉嘴距、混合段长度等，其主要工作参数为出口压力和工作流体压力等。本文主要考察喷嘴出口与喉管面积比对射流泵性能的影响，三个射流泵模型的喷嘴出口直径均为6mm，喉管直径分别为10mm/12mm/15mm，喷嘴喉管面积比分别为2.78/4.00/6.25。

2.2 射流泵结构数值模拟

2.2.1 研究方法

本文用GAMBIT软件进行建模和网格划分，采用FLUENT作为求解器，采用轴对称旋转体，k-ε湍流模型，工作流体和引射流体入口采用压力入口边界，混合流体出口采用压力出口边界。

2.2.2 模拟结果分析

（1）压力分析

计算结果表明，工作流体经过缩放喷嘴加速后压力降低，在喷嘴出口处产生负压区，且负压值低于被引射流体的吸程，可对引射流体产生卷吸作用。喉管直径越小，喷嘴处的负压值越低。在喉管和扩散管中混合流体压力逐渐升高，出口管中压力值稳定。当喷嘴直径相同时，喉管直径越大，吼管内压力升高越快。

（2）流速分析

射流泵内部的速度分布见图2，从图中可以看出工作流体经过喷嘴喷出后形成高速射流，在压力差的作用下，高速射流与低速引射流体发生混合和动量交换，在混合室中混合流体得到充分发展，两种流体速度渐趋一致，在喉管中基本完成混合过程，喉管直径越大，混合越充分。射流泵中速度最大值随着喉管直径增大而减小。

（1）喉管直径10mm

（2）喉管直径12mm

（3）喉管直径15mm

图2 速度分布图

（3） 流量分析

表1为各个射流泵喷嘴、吸入口及出口流量，从表中可以看出喉管直径增大，吸入口流量及流量比均减小，但是变化不大。

综合上述分析，由于三种结构的射流泵吸入口流量差别不大，但是射流泵3的流速最大值较小，为了防止射流泵内出现空化，射流泵3为最佳选择。

2.3 工作流体压力计算

为了确定射流泵喷嘴入口压头，为其选择配套的工作离心泵，本文模拟了射流泵3在喷嘴入口压力分别为80m、100m和120m液柱时的流场。

表2为三种喷嘴入口压力下的射流泵进出口流量，从表中可以看出，喷嘴入口压力为100m液柱时吸入口流量和流量比均最佳，但是当喷嘴入口压力为120m液柱时，喷嘴流速最大值接近空化速度。所以，喷嘴入口压力为100m时该射流泵的引射效果最好。

3 结论

本文研究了用于大型放射性废液贮槽倒空的系统装置，用索科洛夫理论设计了该装置的关键设备射流泵，用CFD方法模拟了不同结构射流泵在设计操作参数下的流场分布，通过压力、流速和流量分析可知设计的射流泵可满足含泥浆废液提取要求，喉管直径为15mm的喷射泵在喷嘴压头为100m液柱高度时引射比最佳，与其配套工作离心泵的额定压头应为75m液柱高度。建议后续继续采用数值模拟的方法对射流泵水力学结构进行进一步改进和优化，并采用试验方法对模拟结果进行验证，从而提高设计的可靠性。

【参考文献】

[1]索科洛夫.喷射器，科学出版社，1977，155-226.

[2]沈卫海.离心-射流泵装置的研制，通用机械，2003，第6卷：设计与开发栏目.

[3]李栋.煤矿俯孔排水排渣射流泵优化设计及实验研究，重庆：重庆大学，2012：5-24.

[4]于凤荣.射流泵流场三维数值模拟，水泵技术，2006，第6期：21-23.

[5]陆宏圻.喷射技术理论及应用，武汉大学出版社，2004，56-268.endprint