水中ジェットポンプの動作特性

１．はじめに

（研究背景）
近年、汚染の進んだ河川や湖沼の水質浄化のために水中ジェットポンプが使われている。水中ジェットポンプによって大流量の水を循環させ、水中酸素濃度を向上させることにより、微生物を活性化させることで汚染物質を分解し、水質を改善することが出来る。
　 常時稼働する水中ジェットポンプの効率を上げ、性能を高めることが出来れば、消費エネルギーの削減につながる。そこで私たちは水中ジェットポンプの性能を最大限まで高められるよう研究を行うことにした。

図1　水中ジェットポンプの設置概念図

（研究内容）
・ 送水ポンプ、１次ノズル、２次ノズル、全圧センサ、ベンチュリ型流量計からなる実験装置を製作しジェットポンプの特性を調べる。
・ ２次ノズルの形状、１次ノズルの噴射位置や供給流量を変化させ、それに伴う循環流量の変化の測定を行う。
・ 実験で得られた測定値を整理し、循環流量と供給流量との比（流量増幅率）が最も高いところを見つける。
・ 実験装置をCFD解析ソフトPHOENICSで解析し、そこから算出された計算値と実験値を比較する。

図２　ジェットポンプの１次元モデル

検査体積内の流体に、連続の式と運動量の法則を適用すると次の結果が得られる。

２．水槽実験とCFD解析
２．１　水槽実験による測定方法
以下の水槽実験装置にてジェットポンプによる流れに関し、圧力センサから各地点の速度を計測する。

図３　水槽実験装置概略図

図４　水槽実験装置

２．２　PHOENICSによるCFD計算
以下の解析モデルによる流動計算を行う。

図5　CFD計算の解析モデル

代表的な流量での速度分布を以下に示す。

図６　CFD計算による速度分布

二次ノズル出口流量を循環流量、供給流量と循環流量の比を流量増幅率とする。以下に供給流量と循環流量および流量増幅率の関係を示す。

図７　供給流量にたいする計算結果

２．３　実験測定と計算結果の比較

図８　測定結果と計算結果の比較

３．まとめ

本研究ではジェットポンプの効率化を図るため、ジェットポンプの運転パラメータである供給流量、２次ノズル内径、ノズルの相対位置を変更し、それに伴う循環流量および流量増幅率の変化を測定した。結論としては、以下のことが分かった。

● 1 次ノズルの噴射流量(供給流量)にほぼ比例し、循環流量は増加する。
● 同じ供給流量では、2 次ノズルの口径が大きいほど循環流量は大きくなる。
● 流量増幅率は供給流量の増加とともに減少する傾向を示す。
● 1 次ノズルと2 次ノズルの最適な相対位置は、1 次ノズルの先端が2 次ノズル内へ2cm 程度入り込んだ状態にあるときと考えられる。