はじめに
ジェットポンプは、工学の多くの分野で使用されています。様々な構成で、気体中に浮遊する粒子を伴うのような流れ、液体、または固体を輸送するために使用できます。駆動流体は、気体もしくは液体です。（気体を使用する場合、この装置は一般にジェットポンプではなくエジェクターと呼ばれます）
ジェットポンプには可動部品がなく、ノズル、吸引管／受口部、そして輸送する製品が吸い込まれる混合室／スロート部で構成されています。これらのポンプは、多くの場合、従来の遠心ポンプから供給される加圧流体によって駆動されます。駆動流体はノズルを通過し、圧力エネルギーを運動エネルギーに変換し、高速で低圧のジェットを発生させます。ノズル出口とスロート部のこの低圧により、製品はシュラウドまたは吸引ダクトを通って混合室／スロート部に流れ込みます。これらの流体は混合室内で合流し、パイプラインを駆動するために必要な圧力ヘッドに逆らって排出されます。
図1は、典型的なジェットポンプの形状の中心線に沿った断面を示しています。
図の左側には、駆動流体の入口が赤い矢印で示されています。その周囲には吸引／受入管があり、その流入は2本の青い矢印で示されています。ノズル出口の下流では、形状が縮小して混合室／スロートを形成します。さらに下流では、駆動流体と製品は、図の右側に紫色の矢印で示されている拡散部／ディフューザーを通ってジェットポンプから排出されます。
ジェットポンプの用途例としては、パイプやケーブル用の沖合溝の作成、沈殿池からの土粒子の除去、小型ポンプの流量向上、粒子の輸送、空気を駆動流体としたスプレー塗装やその他の材料の配置などが挙げられます。
図１ ジェットポンプ形状の断面図（矢印は流入と流出）
計算問題の仕様
PHOENICSは、設定された境界条件におけるジェットポンプの特性を調査するために使用され、結果は[1]で報告された実験データと比較されました。研究において注目される主要な形状的な部分は、ノズル対スロート面積比、スロート長、およびノズル対スロート距離です。注目される流動特性は、上流圧力と下流圧力、および駆動流体と生成流体の流量比です。検討対象の設定では、駆動流体と生成流体はどちらも水としています。数値的な設定条件は、駆動流体と二次流体の入口圧力です。それぞれの入口速度はシミュレーションから求められます。出口圧力も設定値です。シミュレーションは、カットセルを扱うためにS-PARSOLを使用して、2次元軸対称円筒極座標で実行しました。
結果と考察
[1]の設定に従って、3つの境界条件をシミュレートしました（表1を参照）。結果は図2にまとめられています。質量流量比 Mr=mdots/mdotp と圧力比 Pr=(Pdt-Pst)/(Ppt-Pdt) を使用して、ジェットポンプの効率をη=MrPr と定義します。下付き文字は、r：比、p：一次（主流）、s：二次（同伴されたもの）、d：下流、t：総量を表します。図2において、緑色の四角は[1]の実験データ、黒線はこのデータにフィッティングした近似直線です。青色の菱形は、PHOENICSでシミュレーションされた3つの境界条件を表し、いずれも実験データとよく一致しています。
表１ シミュレーション境界条件
Ppt：一次流体（駆動流体）の入口における全圧
Pst：二次流体（エントレインメント流体）の全圧
Pd ：出口における静圧
図２ 質量流量比（MFR）と圧力比および効率の関係（矢印は流入
ここで、実験データは緑色の四角で示され、MRFについては線形最良適合線（-）が、効率については3次多項式でのフッティング曲線（--）が示されています。PHOENICS CFDから得られたデータは青色の菱形で示されています。
図３と図４は、[1]の12番目の境界条件セットにおける速度の大きさと全圧の表面コンターを示しており、これは図2の右端のCFDデータポイントに対応しています。
図３ 断面の速度分布
図４ 断面の全圧分布
図５ 断面のベクトル図
結論
PHOENICSによって生成された結果は実験データとよく一致しており、メッシュに対する解の感度、あるいは[1]と同様に、異なる乱流閉鎖モデルの使用による影響を調べるためのさらなるシミュレーションを検討する必要があるかもしれません。このケースにおけるPHOENICSの検証が成功したことは、PHOENICSが液体ジェットポンプの設計を支援および最適化するために使用できることを示し、ポンプの全体的な質量流量を決定するために、様々なハウジング形状が全体的な流れに及ぼす影響や、異なるフィーダー流量の影響を決定できます。例えば、駆動流が空気で、移動させる流体が水である場合など、複数の位相を考慮した高度な計算も実行できます。 PHOENICS は、Azure Marketplace のクラウド (PHOENICS-OTC) からアクセスできるようになりました。これにより、お客様はソフトウェア ライセンス全体を購入することなく、CFD モデリングのための PHOENICS の全機能と高性能な計算能力を活用できるようになります。
参考文献
[1] Aldas, Kemal & Yap?c?, R. (2014).
Investigation of Effects of Scale and Surface Roughness on Efficiency of Water Jet Pumps Using CFD.
Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 8. 14-25. 10.1080/19942060.2014.11015494.
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