洗消消防車用文丘里射流器的吸氣性能分析

摘要：針對洗消消防車用文丘里射流器在粉劑輸送過程中存在的吸氣性能下降問題，以某型文丘里射流器為研究對象，在其結構與工況分析的基礎上建立三維模型，基于Fluent仿真計算了其在出口環境分別為空氣或水條件下四種不同入口流速下的壓力場分布、速度分布和氣體體積分布。結果表明：文丘里射流器的吸氣流量與入口流速呈正相關關系；同一工況下，相較于出口環境為空氣，出口環境為水時會導致吸氣性能和混合性能的下降。研究結果初步揭示了文丘里射流器吸氣性能下降的原因，對文丘里射流器的布置安裝和使用有工程參考價值。

關鍵詞：洗消消防車；文丘里射流器；數值模擬；吸氣性能

中圖分類號：U469.79" 收稿日期：2023-10-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.03.015

1 前言

洗消消防車是一種用于處置各類化學危險災害事故、有毒化學物質泄漏事故等的特種消防車。通過輸粉裝置將洗消劑輸送到洗消罐內，再經過循環攪拌，形成一定濃度的混合液，最后通過分散裝置對地面和設施設備等進行中和洗消[1]。文丘里射流器是洗消消防車粉劑輸送的主要形式，在使用過程中常常存在吸氣性能下降的情況，直接影響洗消消防車的工作效率。

文丘里射流器是一種利用高壓水射流的紊動擴散作用來對流體進行抽吸輸送的流體機械及混合反應設備[2]，在其他很多工程領域中得到重要應用，它具有結構簡單、本身沒有轉動部件、使用維護方便、造價低廉等優點[3]。

文丘里射流器內部流動復雜，依靠經典理論公式難以得到精確的計算結果[4]。近年來，國內外眾多學者通過實驗和數值模擬的方法對射流器的結構做了大量的研究，結果表明結構參數對射流器的工作性能具有重要影響[5-7]。吳佳琪等[8]通過CFD方法對減縮型噴嘴和孔口型噴嘴射流泵進行數值模擬，結果表明，相同工況下孔口型噴嘴抽氣效率更高。Yadav等[9]通過數值模擬比較了射流器吸入室直徑、漸縮角及喉嘴間距對抽氣性能的影響，發現相比之下，吸入室的結構對射流器的影響更大。陳韶華等[10]通過對射流器內部流動進行數值模擬，分析了不同射流傾角下的性能參數，結果表明隨著射流傾角度數的增加，噴射系數和氣體卷吸量逐漸下降。Li等[11]通過數值模擬分析了不同工質和結構參數對液氣兩相射流器性能的影響，結果表明不同混合管長度對液氣射流泵的抽氣性能有重要影響。劉德燦[12]對用水來引射水蒸氣的文丘里射流器進行數值模擬，總結了射流器內部空化機理。宋昕等[13]設計了多級串聯噴嘴，通過數值模擬，結果表明多級串聯噴嘴液氣射流器相比常規液氣射流器抽氣性能有顯著提升。

洗消消防車用文丘里射流器在使用過程中常常出現吸氣性能下降或時好時壞的情況，調查發現與洗消罐內液面高度有關系，當液面沒過文丘里射流器出口時，其吸氣性能就會下降，究其原因卻無從解釋。然而文丘里射流器的研究大多圍繞結構參數對其性能的影響，鮮見關于不同的射流器出口環境對其吸氣性能影響的詳細研究報道。本文采用Fluent軟件，分別對射流器出口置于空氣中和水中兩種環境下的內部流場和吸氣性能進行數值模擬和分析比較，以發現文丘里射流器吸氣性能下降的原因，為文丘里射流器的結構布置和安裝提供優化設計參考。

2 文丘里射流器的結構及工作原理

如圖1（a）所示，文丘里射流器結構主要由壓力水進水管、噴嘴、進氣管、吸入室、喉管和擴散管等組成。文丘里射流器的工作原理如圖1（b）所示，消防泵輸送壓力水通過管路進入噴嘴，噴嘴收縮將壓力水轉變為高速射流，從噴嘴的末端高速噴出，在喉管與噴嘴形成的真空室內產生較大的負壓，使進氣管內的空氣帶動粉劑進入吸入室，兩股流體初步混合后進入喉管開始充分的接觸，通過擴散管排入洗消罐內。通過改變消防泵轉速來控制射流器內入口流速，進而調節吸粉速度。

3 文丘里射流器仿真模型

3.1 控制方程與湍流模型

3.1.1 控制方程

文丘里射流器內部流體為水，是不可壓縮、穩定和軸對稱的，控制方程[8]為：

質量方程：

動量方程：

能量方程：

3.1.2 湍流模型

文丘里射流器內部流場的流動是一種工程應用中常見的湍流流動。考慮到其內部流體流動屬于一種圓柱射流[14]，realizable k-ε湍流模型模擬噴射泵內流場具有更高的計算精度[15]，文丘里射流器與噴射泵結構相同，因此選擇適用于平板、圓柱射流問題且模擬精度更高的realizable k-ε模型進行文丘里射流器內部湍流流動的模擬。

3.2 幾何模型

文丘里射流器在使用過程中存在出口位于洗消罐液面以上和液面以下兩種工況，因此以文丘里射流器出口環境為空氣或水兩種情況進分析。圖2為兩種不同的文丘里射流器出口環境示意圖。

采用某公司DN50型文丘里射流器為計算幾何模型，其結構尺寸如表1所示。使用Solidworks2014建立其三維模型，如圖3（a）所示，此結構為殼體模型，使用Fluent進行仿真時，其計算域為流體域，因此對三維模型抽取流體域，流體域模型如圖3（b）所示。

4 數值模擬

4.1 網格劃分

使用Fluent meshing 2021 R1軟件對文丘里射流器的流體域進行網格劃分，采用面網格為三角形，體網格為四面體網格，網格模型如圖4所示，在噴嘴出口進行網格加密，將不同網格數目的氣體入口質量流率進行對比，綜合模擬精度和計算時長，最終選取網格數量為282 199個，節點數98 092個。采用相同的方式對出口環境為水的文丘里射流器的流體域進行網格劃分。

4.2 邊界條件

壓力水入口邊界設定為速度入口，湍流強度為5%，擬定4種工況，入口流速分別為v1=4 m/s、v2=6 m/s、v3=8 m/s、v4=10 m/s；空氣入口邊界設定為壓力入口，入口表壓為0 Pa；出口邊界條件設定為壓力出口，大氣壓，其他面均設置為無滑移壁面。

4.3 數值求解

采用基于ANSYS 2021 R1的計算流體力學軟件Fluent 2021 R1進行模擬分析，采用歐拉多相流模型描述氣液兩相流的聚合與分離等相互作用，定義模型為realizable k-ε湍流模型，標準壁面函數；設定壓力基、絕對速度、穩態求解器；考慮重力；壓力-速度耦合方程采用Phase Coupled SIMPLE算法，動量方程、湍動能、湍流耗散設置為二階迎風格式，體積分數設置為QUICK，以殘差值低于10-5及氣體入口流量不變作為收斂標準。

5 文丘里射流器吸氣性能分析

文丘里射流器的主要性能參數是：吸氣流量和噴射系數λ，噴射系數表示主動流體卷吸被動流體的能力，定義為：

不同入口流速下兩種出口環境的射流器吸入空氣的質量流率如圖5所示，噴射系數如圖6所示。隨著入口流速的增加，吸氣流量逐步增大，入口壓力水流速為4 m/s、6 m/s、8 m/s和10 m/s時，射流器出口環境為空氣較出口環境為水的噴射系數分別提高了58%、47%、40%和41%。

四種不同入口流速下，射流器出口環境為空氣和出口環境為水的壓力場分布、速度分布和氣體積分布規律類似，以入口流速為6 m/s時為例，對兩種出口環境下射流器內部的壓力場、速度場和氣體體積分數進行分析。

5.1 壓力場分析

如圖7所示，出口環境為空氣和出口環境為水的文丘里射流器對稱面壓力分布云圖，可知當壓力水從噴嘴入口流到噴嘴出口時，在噴嘴收縮段，壓力開始急速降低，如圖8中的壓力曲線所示，此時壓力下降曲線近乎豎直曲線，當高速射流從噴嘴射出并進入吸入室時，此處產生低壓區，在喉管段壓力降到最小，在壓力曲線中表現為最低點，高速射流產生的負壓帶走吸入室內的空氣，將粉劑吸入吸入室，并與水初步混合后，進入喉管進行充分混合，當進入擴散管時，壓力開始逐步上升，之后從擴散管中流出進入洗消罐。兩者在前段呈現出類似的分布規律，出口環境為空氣的射流器壓力在后段表現為先降低再升高，變化趨勢比較明顯，相比出口環境為水，其變化趨勢比較平緩，而且當出口環境為空氣時，在喉管段產生的最大負壓值是出口環境為水時的3.5倍左右。

5.2 速度場分析

如圖9所示，出口環境為空氣和出口環境為水的文丘里射流器對稱面速度分布云圖，可知在噴嘴入口，壓力水一直保持在較低的流動速度，當流到噴嘴收縮段時，速度開始急速增大，噴嘴出口處速度達到45 m/s左右，水從噴嘴噴出后帶動氣體進入喉管，在喉管內與氣體進行充分混合，由于氣體的加入，水的流通面積減小，流速進一步增大，兩相之間的作用加快了水的流速，在喉管內速度最大可達55 m/s，進入擴散段后，水的流速逐漸下降。從云圖上可以看到有2個地方發生了渦流現象，1個在吸氣室的上部，另一個在擴散段出口。吸氣室上部的渦流是因為高速的氣體與噴嘴壁面的碰撞形成渦流現象。擴散段出口的漩渦是由于空氣近壁面受壁面黏滯阻力，近中心區域受高速氣體剪切，進而形成渦流現象。從圖中對比可以看出，出口環境為水的擴散段出口渦流現象更為凸出，另外擴散段的空氣要克服水的阻力才能排出，進一步影響了射流器的吸氣性能。

5.3 氣體體積分布分析

如圖10所示，出口環境為空氣和出口環境為水的文丘里射流器對稱面空氣體積分布云圖，可知空氣和水在噴嘴出口和喉管入口處開始混合，在喉管中空氣和水逐漸混合充分，進入擴散段后，在湍流彌散力和徑向離心力的作用下，水逐漸由中心向壁面擴散，形成中心低壓區，使得空氣向中心移動。通過對比可以發現出口環境為空氣的射流器在喉管和擴散段與水的混合更充分，進一步說明出口環境為空氣的射流器混合性能更好。

6 結語

a.文丘里射流器的吸氣流量與入口流速呈正相關關系。

b.同一工況下，相較于出口環境為空氣，出口環境為水時會導致吸氣性能和混合性能的下降。

綜上所述，研究結果初步揭示了文丘里射流器吸氣性能下降的原因，為文丘里射流器的工程應用提供參考和依據。在布置安裝和使用時，應盡可能避免液面超過射流器的出口，以提高其工作性能。

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作者簡介：

汪韶華，男，1994年生，碩士研究生在讀，機械工程師，研究方向為消防車設計。