6种喷嘴射流仿真分析

6种喷嘴射流仿真分析

fluent软件基于fd（计算流动态）软件群的理念，可以采取不同的格式和数值方法，在特定领域实现最有效的计算速度、稳定性和精度，这可以解决每个领域复杂流动的计算问题。Fluent开发的模拟软件,可以用于模拟流体流动、传热传质、化学反应和其他复杂的物理现象。喷嘴的作用是让一定压力的水通过收缩的孔径,从而达到加速液体的目的。圆锥形喷嘴是目前应用较广泛的一种喷嘴,然而喷嘴收缩角的选取多是依据经验。为给喷嘴的选择提供依据,笔者对入口直径为5mm,出口直径为2mm的喷嘴,在收缩角为5°、10°、20°、30°、40°和50°条件下,应用Fluent软件分别对应20MPa和30MPa的压力进行仿真。1可压缩流体运动方程的n-s方程不可压缩流体在直角坐标系中质量守恒方程如下式中:u,v,w分别为x、y、z方向上的速度。在圆柱坐标系中式(1)将变为式中:vr,vθ,vz分别为圆柱坐标下径向、切向和轴向速度。描述不可压缩黏性流体运动方程的N-S方程,在空间直角坐标系中的表达式如下式中:X,Y,Z为作用于单位质量流体的质量力;ρ为流体密度;p为流体压强;t为时间;η为流体应变率。式(1)和式(2)原则上可以求得不可压缩黏性流体的流场的解。但由于N-S方程中出现了速度的二阶导数,因而只有对一些特定的方程充分简化,才能求出近似解。笔者在射流仿真中采用了标准的κ-ε方程模型。标准的κ-ε方程模型是个半经验公式,适合于高湍流状态。κ是湍流动能,κ方程是精确方程;ε是扩散率,ε方程是由半经验公式导出的方程。式中:ui为湍动黏度;Cu为经验常数,通常取Cu=0.09。2模型的构建和模拟分析由于喷嘴是轴对称结构,笔者建立二维轴对称计算模型以节省计算时间。由于计算尺寸较小,故使用二维双精度方法。2.1计算网格划分由于采用了轴对称结构,故只需画出其一半的计算区域。如图1所示,使用GAMBIT软件画出喷嘴的形状ABHI及外部计算区域HBCDEFG。AI长为2.5mm,BH长为1mm,AB长随喷嘴的收缩角变化而变化。外部计算区域长度即BC长为220mm(为了显示网格划分的细节,故BC的长并未完全表示),宽(一半)DC为20mm。为了使计算能够较好收敛,合理的划分网格是必要的。在GAMBIE二维计算区域中,每个面域的最大网格数为10000,所以对轴线及附近网格划分得较密,而对距离轴线较远、水射流达不到之处,网格划分得较稀疏。喷嘴内部采用二维四边形网格,外部空气区域采用非结构化三角形网格。为使计算结果更加精确,入口AI采用压力入口边界条件;DE、DC采用压力出口边界条件,压力出口的压力为一个标准大气压;IH、HG、GF、FE均采用WALL边界条件;BH采用其默认的interior边界条件。2.2fluent模拟分析2.2.1最大射流速度和出口cd最大速度图2、3是在20MPa条件下,喷嘴收缩角为10°和30°的速度场云图。对于收缩角为5°、20°、40°、50°仿真出来的速度云图与其形状基本相同,只是数值上有差别。为了形象地分析比较其速度特性,将轴线上的速度数值曲线采集出来,并放在同一坐标下(见图4)。图5是入口压力为20MPa条件下,其出口(即图1中的CD边上)的射流径向速度曲线。由于在Fluent后处理软件中显示的数据较稀疏,为了较易区别各图中的点,将每一幅图中的点拟合成连续曲线,以精确表示其射流的性质。表1是轴线BC上最大速度的数值和出口CD上(径向)最大速度的值。由图2~5和表1可以看出,随喷嘴收缩角的增大及喷嘴长度的缩短,射流在轴线处最大速度大致呈递减趋势,到30°时已基本稳定。每种情况的最大射流速度出现在喷嘴出口HB附近。实际情况下,射流流出后的轴向速度由小增大,仿真只表示出其后面逐渐减速的过程。当喷嘴收缩角为5°时,其出口附近处速度最大,为200m/s。图4显示其射流稳定性并不好,衰减很快,这点从表1中的计算区域出口最大速度数值中也能反映出来。除收缩角为10°的喷嘴外,其他喷嘴的射流,无论是出口最大速度,还是轴向速度的稳定性都较差。从图5和表1可以发现,对于出口CD边上的速度,其轴线处速度越大,则沿CD方向速度衰减也越快,说明其射流束越细,适用于切割;相反,轴线处速度越小,沿CD方向速度衰减越慢,射流束发散,适用于清洗。对于20MPa压力条件下,在所仿真的情况中,喷嘴收缩角为10°时,其射流不论是轴向最大速度,还是轴向速度的保持性,以及流束的凝聚性,都是同组中相对优越的。2.2.2压力仿真结果为了解喷嘴收缩角、液体入口压力及外部射流特性之间的关系,按照前文步骤,做30MPa压力条件下的仿真。仿真结果见图6、7及表2。由表2可知,在不同压力条件下,随着喷嘴收缩角度的改变,外部射流有着共同的变化趋势。2.2.3度变化曲线图8、9是10°收缩角在20MPa和30MPa压力条件下,射流沿轴线方向和径向速度变化曲线。图10、11是30°收缩角在20MPa和30MPa压力条件下,射流沿轴线方向和CD方向(径向)速度变化曲线。这4幅图中的曲线形状大致相似,不同的是,在30MPa压力条件下,射流速度比在20MPa压力条件下大。对于其他收缩角也有相同的规律。3喷嘴收