基于Fluent的高压喷嘴射流的数值模拟

机械制造与研究 周章根,等 基于Fluent的高压喷嘴射流的数值模拟

基于Fluent的高压喷嘴射流的数值模拟

周章根,马德毅

(西南科技大学制造科学与工程学院,四川绵阳621010)

摘 要:研究收缩型喷嘴在初始压力为100MPa,出口直径为1mm的情况下喷嘴流场的速度、压力、湍动能等物理量的分布规律。选择不可压Reynolds方程作为动量方程,利用Fluent的SIMPLEC算法进行求解,对收缩型喷嘴射流进行数值模拟。结果表明:流体速度在喷嘴收缩段迅速增加,在离开喷嘴后出现等速流核区;流体动压在喷嘴收缩段增长快速,在等速流核区保持不变;仿真结果与理论推导相符合。关键词:Fluent;喷嘴射流;Reynolds方程;数值模拟

中图分类号:TH12;TP6 文献标志码:A 文章编号:1671 5276(2010)01 0061 02

NumericalSimulationofHigh pressureJetNozzleBasedonFluent

ZHOUZhang gen,MADe yi

(CollegeofManufacturingandEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China)Abstract:Thispapernumericallystudiesthedistributionregularitiesofthephysicalquantityofvelocity,pressure,rapidkineticenergy

andsoon,intheflow fieldofthecontractivenozzle,whentheinitialpressureisp=100MPaandtheoutletoutsidediameteris1mm.TheincompressibleReynoldsequationistoselectedasthemomentumequationandthealgorithmofSIMPLECofFluentisusedtosmiulatetheinjectionstream.Theresultsshowthatthejetvelocityincreasesquicklyinthecontractivesectionofnozzleandacoresectionofequalvelocityisformedafterthejetdepartsfromthenozzleandthedynamicpressureofjetgoesuprapidlyinthecontrac tivesectionofnozzle,whileisstableinthecoresection.Thesmiulationconformstotheoreticalanalysis.

Keywords:fluen;tinjectionstream;reynolds averagednavier stokesequation;numericalsmiulation

0 引言

FLUENT是用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用CFD软件,它提供了 - 紊

流模型等多种紊流模型,可根据具体的情况进行选择。FLUENT网络特性非常灵活,可方便地使用结构网格和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分。对于具有较大梯度的流动区域,FLUENT提供的网格自适应特性可在很高的精度下得到流场的解。高压喷嘴射流目前已广泛应用到各个行业[1],对射流的研究具有重大的现实意义,利用计算机仿真研究高压喷嘴射流流场将会是一种低成本、高效率的!数值试验 。将Fluent应用于收缩型喷嘴流场数值模拟,研究喷嘴流场主要物理量的分布规律。为实际应用提供参考。物理模型及轴对称流场半剖面网格划分结构如图1所示。计算域取为20d*10d,d为喷嘴圆柱段直径,单位mm。

1 控制方程及边界条件

1.1 控制方程

在100MPa初始压力、喷嘴圆柱段直径d=1mm的情

况下,根据计算可得Re=4.7#105,即喷嘴流动为湍流,考虑不可压缩流动,湍流时均控制方程用张量形式表示如下: u 1 p

(!ui)=0,i+(uiuj)=-+ijxixj

ui

v-uiujj

1.2 湍流模型

由于上述控制方程组不封闭,必须引入新的湍流模型才能使方程组封闭。文献[2]指出标准 - 模型对于强旋流、弯曲壁面流动或弯曲流线流动时,会产生一定的失真。为此,选取目前使用非常广泛的RNG - [3]模型。在该模型中关于 和 的输运方程的张量形式如下:

ui) (! ) (! += #eff+Gk+! ij ui)C*1e (! ) (! # 2+=+G -C2

ij eff式中:#eff=#+#t;

#t=!C#

2

图1 喷嘴及其轴对称流场半剖面网格划分结构示意图

作者简介:周章根(1984 ),男,西南科技大学硕士研究生,研究方向为高压水射流。M

n,2010,1):61,130

61

机械制造与研究

(1- / 0)

1+% 3

=(2EijEij)1/2C1e=C*1e-1 ui uj

(+);2ji

ui uj ui

G =#t+;

jijEij=

周章根,等 基于Fluent的高压喷嘴射流的数值模拟

C1 、C2 、C#、 、 、 0 模型常数。

%的取值为:C1 =1.42,C2 =1.68,C#=0.0845, = =1.39, 0=4.377,%=0.012。

1.3 边界条件

入口边界:pressure inlet;

出口边界:pressure outlet;

轴线上边界条件:axis;

固体壁面条件:壁面上满足无滑移条件,近壁区采用标准壁面函数法处理。

图3 喷嘴轴线上速度分布散点图

变,动压P动的大小跟速度平方成正比。流体的流动过程实际上就是能量的转换过程,能量由压力势能转换为流体的动能,具体表现就是速度增加,反映在压力上就是动压增加。从图4可以看出动压在喷嘴收缩段压力梯度大,压力变化明显;在喷嘴圆柱段压力梯度小,压力变化率相比于收缩段不是非常明显;在喷嘴出口的等速流核区动压基本保持不变,但是在等速流核区的末尾动压迅速衰减。从图5可以看出静压在喷嘴收缩段迅速减小,压力梯度大,在喷嘴圆柱段静压仍在减小,但压力梯度小。

2 数值模拟分析

2.1 喷嘴流场速度分布

根据文献[10]可知,喷嘴出口速度v(44.m/s,其中P为喷嘴入口处初始压力,单位为MPa。此次仿真初始压力为100MPa,根据上式计算可得喷嘴出口速度约为447m/s,由图2知喷嘴出口最高速度为446m/s,与计算结果基本相符合。从图2还可以看出,流体速度在喷嘴收缩段速度梯度大,速度变化明显;在离开喷嘴出口之后,流体出现一个等速流核区[4],并且在流体表面沿垂直于轴向方向的速度存在明显的梯度变化;在等速流核区末尾,流体速度迅速降低。图3反映了轴线上流体速度的变化,在喷嘴圆柱段流体速度仍在增加,但增速放缓;图3实际上从速度沿轴线方向变化的角度验证了图2所反映的情况。

图4 喷嘴轴线上动压分布图

图2 喷嘴流场速度分布图

图5 喷嘴轴线上静压分布图

2.2 喷嘴流场压力分布

对于流动状态的流体来说,压强分为静压和动压。动压的公式为P动=1/2(!v2),对于不可压流体,!保持不 2.3 喷嘴流场湍动能分布

由文献[6]可以推导出:湍动能 =(3/2)u 2,其中u

(下转第130页)

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信息技术

仿真模型垂向模型横向模型垂向-横向空间模型

岳三玲,等 基于Simulink的车辆动力学仿真模型研究

表3 Sperling指标对比

速度/(km/h)

性能

310

WzWyWzWy&Wz/%&Wy/%

1.82521.40301.82521.453803.49

3301.84252.36211.8501

2.34670.410.66

3501.85172.42721.8521

2.37910.022.02

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