喷口射流流场的数值模拟 转载

1、喷口射流流场的数值模拟摘要 本文在对数学模型及物理模型进行理论分析的基础上，基于k-8方程双方程模型与SIMPLE算法， 运用模拟软件6.1，对不同喷口流场进行了三维模拟，证实了射流流场与喷口内部流线有密切关系，并 对结果进行了分析比较，从而为喷口的优化设计提供了依据。关键词喷口；计算流体力学；数值模拟1引言目前，高大空间的空调一般采用分层空调的方式。该系统一般采用喷口送风，喷口的结构，位置对室 内气流组织影响较大。国内的生产厂家较少涉足该喷口的制作，有的厂家尽管生产，无自己的性能参数， 一般都套用国外产品的性能参数.由于制造工艺等方面的原因，其性能参数与国外的产品不同，按此设 计其空调效果较

2、差。实践证明，一些进口的喷口，空调效果比较理想。从物理角度而言，空调通风房间的空气流动是由风口射流引起的，射流动量流量和质量流量对室内 空气分布情况起关键作用。为了能准确的描述风口，产生了很多风口模型的模拟方法。就目前的研究情 况来说，比较广泛使用的风口模型模拟方法1主要包括传统模型法、基本模型法、动量方法、盒子方法 和指定速度方法。通常这些模型对末端装置的特性不予考虑或考虑得不够，模拟主要是针对室内的气流 运动而进行的，而没有模拟送风装置内部的气流刃。本文通过计算机直接模拟喷口形成入口边界条件对 不同结构的喷口进行了模拟。2数学物理模型2.1风口模型计算机直接模拟喷口形成入口边界条件是先从管

3、道到喷口出口处的三维区域进行模拟，得出出口断 面处的各变量参数，然后将此结果作为对室内空气流动模拟的入口边界条件。2.2基本方程Fluent6.1把连续方程、动量方程、能量方程写成如式2.1所示的通用方程形式： TOC o 1-5 h z 8（p8）8入8巾）+ 汗 LP-W = %（2.DII式中：4 通用变量，如u , V , W , T , K, 8等；P 流体的密度，kg/m3 ；u. 速度矢量，m/s； 七通用变量，的有效热交换系数;S巾 变量的源项。如空调室内的气流属于常温、常压及低速下的流动，可以视为不可压缩流动，但空气的温差产生的 自然对流对室内的流场和温度场存在着显著的影响。

4、对这类流动现象的描述引入著名的Boussinesq假 设，可以大大简化所讨论的问题。Boussinesq假设为：流体密度的变化并不显著地改变流体的性质， 即流体的其它物性不变：密度的变化对惯性力项、压力差项和粘性力项的影响可忽略不计，仅考虑密度的变化对质量力的影响。考虑质量力时，流体的运动方程为:pf.-iapaaxax. j(c aaxj（2.2）当考虑密度的变化仅是由温度的变化引起的，并且质量力仅是重力的情况时，由热膨胀系数P的1 av1 fap)定义式:（2.3） TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark20 o Current Document =I Iv

5、arpar)由（2.3）式可得:PPo =P&(T T0)(2.4)Pf = Pg =(P P)g +P g =p g。侦T )+p g (2.5)ii0 i 0 i0 i00 i上式中-P0 gi P(T T)即为流体温差导致的所谓Boussinesq假设，代入运动方程(2.2)中得: HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 2 +(puu )=p g P(T T )+p g * + #*(2.6)ataxi j 0 i 00 i axaxaxii 八 j J表2.1广义扩散系数与源项取值4r4S4100upeffdp aax axfaup、eff

6、 ax.avp、eff ax /aw p、eff ax /P g TT )+p g 0 x00 xVPeff旦+qay ax、aU p ef ay)+ay、av p ef ay)+瓦faW四 eff ay)P0 gy TT)+P0 gywReffdp d dz dXdu uR N k eff dz)d (dv += R dy eff dz)d(+一dzR 当-P g TT)+p g 、eff d)0 z00 zTR -fbT0K（R -fbKG pee%be cG c pe)G = R （3.1）式中r0、是喷口进口和出口截面的半径，l为喷口进口到喷口出口的距离，x为壁面上任一点至喷口 进口的

7、轴向距离。喷口d为某公司生产的喷口。3.2初始条件五个喷口的计算条件完全相同，外流场的计算域为20dX5d，计算域的入口采用速度入口边界条件， 入口速度设为10m/s，出口采用出流条件，给定环境压力；固壁处采用无滑移边界条件，计算域及网 d的部分网格图3.2喷口 a、b、c、d的部分网格示意图3.3结果分析从图3.3,3.4喷口速度矢量图看（颜色深或浅表示速度大或小），四个喷口的轴心速度都较高。喷 口 b较喷口 a轴心速度大，说明喷口 b较喷口 a对气流的阻滞作用大。喷口 c与喷口 d速度分布基本一直一致。从速度颜色深度可以看出喷口a、b速度变化从接近出口突然开始，而喷口 c、d速度变化从喷

8、口内部沿流道曲线较缓变化。从图3.5,3.6喷口速度矢量图看，对于收缩喷口 a、b在出口附近的速度场差异较大，若喷口内部 设计为维多辛斯基及样品喷口就可以获得更好的流场参数，有利于提高喷口的工作效率。从图3.7喷口轴心速度分布看，喷a、b轴线上的速度最大值基本相同，喷口 c、d的速度最大值基 本相同。喷口 a、b较喷口 c、d的速度最大值大，但喷口 a、b轴心速度衰减较喷口 c、d快，喷口 d 衰减最慢。从该图上可以看出喷口内部气流速度变化情况：喷口 a、b内部轴线上的速度经过速度增大一-不减一-增大减小；喷口 c、d轴线上的速度则经过增不变一 增减小。喷口 a速度最大值在（5，2.3）处，喷

9、口 b在（7，2.2），喷口 c、d在（2, 3.7），由此可以看出在相同条件下，锥角越大，对射流的阻滞效果越明显，内部流道为维多辛斯基曲线 的喷口 c及样品喷口 d对射流的阻滞最小。通过图3.8可以看出，出口截面r/r0在0.8以下时，喷口 c、d无因次速度u/u基本一致，均小于 喷口 a、b的速度且喷口 b的速度最大。出口截面在0.81.0时，速度由大至小的喷口依次为喷口d、c、 a、bo从图3.9,3.10中可以看出，喷口a、b出口截面静压变化大，总压衰减快。内部流道为维多辛斯基 曲线的喷口 c及样品喷口 d其出口截面产生的横向压力梯度及分速度逐渐减小，从而得到较均匀的速度 场，样品喷口

10、d较喷口c流场更均匀。a.36c*012.2 4 012.00.1*011.S9e*011.E&+51.53+O11.41EJ1i.3i：it+i：n1.18.2*01U：i&e*01943c*008.35(*00?.0?c*005.89*004.71-i*OO3.53*002.36.1*001.1 如+口口Aug 31. 2004IXDETfT 6.1qegreg诚ed, rngke)图3.3喷口 a、b的速度分布图12-1 h Ml I jrijjrri1 JW-LDI LMaPI 15“顽1MrHM I古gIIOmOI 13901 S.KMC* ?.7Q*W泅顽 AM顽jairiboo临

11、够(m/s)图3.6喷口 c、d的速度矢量图5101520 x/d2.00 1.51.00.50300.00.20.40.60.81.00.0 00.0r/r0图3.7喷口轴线的无因次速度分布 图3.8喷口出口截面的无因次速度分布1.0图3.10喷口出口截面的总压分布0.00.20.40.60.8r/r0图3.9喷口出口截面的静压分布1.01271.01261.01251.01241.01231.01221.01211.01201.01191.01181.01171.01161.01154结语CFD模拟越来越广泛地应用于解决暖通空调领域的空气流动和换热问题。合理地给定入口边界条 件对于得到正确的模拟结果是很重要的。本文通过计算机模拟喷口形成入流边界条件对喷口流场数值模 拟是可行的。这种方法入口速度的设置特征尺度都与实际的物理模型保持一致，保证了射流扩散和衰减 的正确性，较好地描述了射流过程。而且它还有其它的优势，不需要测量风速，入口速度分布是根据风 量通过模拟计算出的，根据模拟结果可得出风口的特性。样本喷口与标准喷口在分析的几方面，特性基 本一致，而实际工程运用中对样本喷口反映良好，制造商可以根据这一特性研究喷口的制造模具，制造 出适合实际工程的喷口，因此这种对喷口流场数值模拟的方法对开发新型产品是重要且必要的。参考文献：赵彬，李先庭，彦启森.室内空气流动数值模拟的风