異形噴嘴內(nèi)部流場的可視化研究

左海寧，白 璐，周家日，蔡書鵬

（湖南工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

異形噴嘴是指噴孔形狀為非圓形的噴嘴。由于其特殊的幾何形狀，因此存在不同的射流特性[1-2]。研究人員發(fā)現(xiàn)，異形噴嘴能夠降低噴頭工作壓力，改善噴嘴的水力性能，且具有多變的射流形狀、易于調(diào)控的射流強度以及更有效的射流面積，所以這類噴嘴應(yīng)用于某些場合時的性能優(yōu)于普通噴嘴。

根據(jù)壓力條件的不同，異形噴嘴可分為低壓和高壓2種類型，不同的壓力對于異形噴嘴的流量、輸出功率、射流的水力分布等有不同的影響。在1～10 MPa的低壓狀況下，異形噴嘴的射流能以多變的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多變的射流形狀，且能產(chǎn)生較好的霧化效果。隨著技術(shù)和工藝的發(fā)展，異形噴嘴的工作壓力也有不同程度地提高，甚至可達到10～30 MPa的高壓范圍。高壓噴嘴適用的壓力范圍一般為10～100 MPa。研究結(jié)果表明，美國AQUA-DYNE公司所生產(chǎn)的Rankin-Shape Jets的高壓異形噴嘴能提高水射流的集束性能，這類射流的共性是以具有銳邊的平面防止空氣卷裹射流，因此，在較大靶距下射流能保持較好的凝聚性，且具有優(yōu)越的工作效率[3-4]。

異形噴嘴在工業(yè)清洗、農(nóng)林灌溉、切割、水力鉆孔等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，如螺旋錐形噴嘴，其射流截面形狀是2個同心圓，被廣泛應(yīng)用于煙氣脫硫除塵、廢氣處理、防火滅火、塔器清洗等方面。異形噴嘴具有較好的霧化性能，可應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)的噴淋澆灌、殺蟲劑噴灑、過熱設(shè)備噴水降溫等方面；還能提高噴嘴的射流性能，改善工作質(zhì)量，節(jié)約能源。為了分析圓形噴嘴與2種異形噴嘴（正方形和正三角形）的射流特性，本文運用Fluent軟件對這3種噴嘴的內(nèi)流場進行仿真，分析其在不同壓力條件下對噴嘴內(nèi)流場的影響，從而分析其射流特性，為異形噴嘴在工程中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 建立模型

1.1 設(shè)計噴嘴

本文設(shè)計了3種噴嘴模型，其噴孔形狀分別為正方形、正三角形和圓形。由于影響噴嘴流場的參數(shù)有收縮角、長徑比、出口面積及出口形狀等，因此，在仿真計算中，為了減少一些因素的影響，設(shè)置噴嘴的長徑比均為5，出口的收縮系數(shù)等于1，由于考慮了異形噴嘴的加工工藝和模擬的可比性，噴嘴流道采用平行流道，即入口角/出口角=1。根據(jù)相同壓力下保持圓形噴嘴和異形噴嘴出口面積相同原則，設(shè)計3種噴嘴的尺寸為AΔ=A□=A○，通過計算得到2種異形噴嘴的邊長分別為：aΔ=1.73 mm，a□=1.14 mm，圓形噴嘴的直徑d○=1.14 mm[5]。3種噴嘴的長度為17 mm，入口截面=8 mm。3種噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 3種噴嘴結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of three kinds of nozzle

1.2 建立數(shù)學(xué)模型

通過計算噴嘴的雷諾數(shù)可知，噴嘴的流場處于高湍流狀態(tài)，因此，3種噴嘴采用標準的k-ε雙方程湍流模型。該模型是在湍流動能方程的基礎(chǔ)上引入湍流耗散率ε，于1972年由Launder和Spalding提出。該模型的輸出方程為[6-7]：

式中：k是湍流動能；

Gk由平均速度梯度引起的湍流動能產(chǎn)生項；

Gb由浮力引起的湍流動能產(chǎn)生項；

YM是可壓縮湍流中脈動膨脹對總耗散率的影響；

Sk,Sε為用戶自定義源項；

C1ε,C2ε,C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，其值分別為C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09 ；

k,ε分別為湍流動能和湍動耗散率對應(yīng)的普朗特常數(shù)，其值分別為k=1.0,ε=1.3。

1.3 設(shè)定邊界條件

根據(jù)異形噴嘴的射流特點，假設(shè)射流為不可壓縮黏性流體的定常流動，其介質(zhì)視為均質(zhì)流，噴嘴的流入介質(zhì)為水，其密度為998.2 kg/m3；噴嘴固體壁面設(shè)定為無滑移絕熱壁面，近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)法處理；噴嘴入口處的邊界條件為壓力入口條件（pressure-inlet）；噴嘴出口處邊界條件為壓力出口條件（pressure-outlet）；不計重力影響；求解器采用壓力速度耦合算法；離散格式采用二階迎風格式；其它參數(shù)為默認值。

1.4 劃分網(wǎng)格

運用ANSYS軟件中ICEM模塊對3種噴嘴的三維實體進行六面體網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格質(zhì)量均在0.7以上，無負體積產(chǎn)生。3種噴嘴的三維實體網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 3種噴嘴的三維實體網(wǎng)格Fig.23 D entity grid of the three nozzles

2 仿真結(jié)果與分析

為了研究隨入口壓力的增加，3種噴嘴的射流特性，本文在入口壓力分別為0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0 MPa的6種條件下，對3種噴嘴的內(nèi)流場情況進行了仿真分析。

2.1 噴嘴形狀對噴嘴流場的影響

噴孔形狀與其流量的關(guān)系如圖3所示。隨入口壓力的增加，3種噴嘴的流量變化趨勢為：正三角形噴嘴的流量增長速度最快，正方形噴嘴其次，圓形噴嘴的流量增加幅度最小。這說明了正三角形噴嘴的流量對壓力變化較敏感，而圓形噴嘴隨壓力的變化，能保持流量的穩(wěn)定性。

圖3 噴孔形狀與其流量的關(guān)系Fig.3 The relationship between the nozzle shape and the flow

當入口壓力一定的條件下，通過對3種噴嘴內(nèi)流場的模擬分析發(fā)現(xiàn)：其速度呈現(xiàn)沿著幾何中心向壁面逐漸衰減的趨勢，且正三角形噴嘴和正方形噴嘴的流道內(nèi)速度分布高于圓形噴嘴流道，沿軸線附近速度衰減比圓形噴嘴流道慢；此外，圓柱段結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的入口條件下，圓柱段對射流速度的影響較小，所以噴嘴內(nèi)流場速度的變化主要集中在截面變化之后的流道內(nèi)，如圖4所示。

圖4 入口壓力3 MPa時3種噴嘴的速度云圖Fig.4 The velocity cloud pictures of the three nozzles at inlet pressure of 3 MPa

2.2 不同入口壓力對3種噴嘴出口截面的影響

隨入口壓力的增加，3種噴嘴的噴射速度逐漸增加，較大速度均出現(xiàn)在幾何中心附近。3種噴嘴出口的速度云圖分布如圖5～7所示。

圖5 圓形噴嘴出口的速度云圖Fig.5 The outlet velocity contour of circular

圖6 正方形噴嘴出口的速度云圖Fig.6 The outlet velocity contour of Square nozzle

圖7 正三角形噴嘴出口的速度云圖Fig.7 The outlet velocity contour of equilateral triangle nozzle

從上面這些圖可以看出，噴嘴出口的形狀對噴嘴的噴射速度場影響較大。在圖5中，圓形流道噴嘴出口的速度呈現(xiàn)由壁面向中心軸逐漸遞增，為規(guī)則的圓環(huán)形，不同入口壓力下速度分布變化不明顯；在圖6中，正方形流道噴嘴隨入口壓力的不斷增大，噴射速度分布逐漸集于幾何中心，且出口壓力分布趨于圓形，軸心速度逐漸變小；在圖7中，正三角形流道噴嘴的出口速度呈現(xiàn)近似三角的環(huán)形分布，隨入口壓力的增加，軸心速度逐漸變小，其分布也趨于倒三角形。

3 結(jié)論

利用Fluent軟件分別對圓形、正方形和正三角形噴嘴內(nèi)的速度場進行仿真計算， 實現(xiàn)了可視化數(shù)值仿真模擬，為異形噴嘴的應(yīng)用和研究提供了一定的參考依據(jù)。

1）在入口壓力一定的條件下，通過對3種噴嘴的內(nèi)流場的模擬分析可知，正三角形噴嘴流量最大，正方形噴嘴其次，圓形噴嘴最小，且3種噴嘴的速度均呈現(xiàn)由幾何中心向壁面衰減。

2）正三角形和正方形流道噴嘴隨入口壓力的增加，流體沿軸線附近速度衰減比圓形流道出口噴嘴衰減速度慢。隨著入口壓力的增加，正三角形噴嘴出口速度越大，軸心速度越集中，且速度分布也趨于倒三角形。

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