Computational simulation of the fluid flow in a subsonic jet-pump

Abstract

ABSTRACT : This study aims to develop the computational elements necessary to predict through CFD simulations, the performance of a subsonic jet pump operating with water, focusing on the pressure ratio, flow ratio, energetic efficiency, and the internal flow field. The RANS-based turbulence models k-ω SST and k-ε, along with standard, scalable, and enhanced wall functions are used to simulate the behavior under eight different flow ratios for three different nozzle spacings. These geometries, discretized using well-structured meshes, are reviewed in terms of mesh quality and mesh independence through a sensitivity analysis and the comparison with the theoretical boundary layer. The results are compared with each other and with experimental data available in the literature to validate the implemented simulation environment and determine which models best captures each aspect of the performance. Numerical analysis shows that the simulations accurately predict the phenomena governing the jet-pumps, where the average relative error in efficiency for k-ε is 7.3% and for k-ω SST is 8.47%, analogously, for the pressure coefficient that accounts for the device pumping it is 10.68% and 3.21% respectively. Additionally, the velocity and pressure contours prove that at lower flow ratios there is a higher pressure ratio between the outlet and the inlets, and as the mixing zone approaches the end of the throat without exceeding it, as a result of an increased flow ratio, the efficiency reaches its maximum, as observed in previous research.

RESUMEN : Este estudio busca desarrollar los elementos computacionales necesarios para predecir mediante simulaciones CFD, el desempeño de una bomba-jet subsónica operando con agua, centrándose en la relación de presiones, relación de flujo, eficiencia energética y el campo de flujo interno. Los modelos RANS de turbulencia k-ω SST y k-ε, con funciones estándar, escalable y tratamiento mejorado de pared, se utilizan para simular el comportamiento bajo ocho relaciones de flujo diferentes, para tres espaciamientos de boquilla distintos. Estas geometrías, discretizadas mediante mallas bien estructuradas, se revisan en términos de calidad e independencia de malla mediante un análisis de sensibilidad y comparación con la capa límite teórica. Los resultados se comparan entre sí y con datos experimentales disponibles en la literatura para validar el entorno de simulación implementado y determinar que modelos capturan mejor cada aspecto del desempeño. El análisis numérico muestra que las simulaciones predicen adecuadamente los fenómenos que rigen las bombas-jet, donde el error relativo promedio en eficiencia de k-ε es del 7.3% y para k-ω SST 8.47%, análogamente, para el coeficiente de presión que da cuenta del bombeo del dispositivo es del 10.68% y 3.21% respectivamente. Adicionalmente, los contornos de velocidad y presión comprueban que a menor relación de flujo se da una mayor relación de presiones entre la salida y las entradas, y a medida que la zona de mezcla se acerca al final de la garganta sin sobrepasarla, producto de un incremento en la relación de flujo, la eficiencia alcanza su máximo, como se observa en investigaciones previas.