空氣放大器內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

史 諾，魯劍嘯，劉 瓊

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院，陜西 楊凌712100；2.延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 延安716000；3.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程分院，陜西 楊凌712100）

0 引言

空氣放大器是一種采用壓縮空氣作為動(dòng)力的氣動(dòng)元件，主要用于通風(fēng)領(lǐng)域，可有效驅(qū)散或收集工業(yè)的廢氣、煙霧及細(xì)小顆粒，顯著改善惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。除此之外，由于空氣放大器良好的空氣引射能力，引流了大量環(huán)境空氣，在電子零部件、焊接件和熱封件的冷卻降溫中也得到了良好應(yīng)用。

1 工作原理

壓縮空氣經(jīng)進(jìn)口流入環(huán)形腔后，從噴嘴中高速噴射出來(lái)，由于傾斜側(cè)壁與射流方向中心線呈一定的角度，在射流附壁效應(yīng)的作用下，這股初級(jí)氣流附著在側(cè)壁的表面流動(dòng)，于是在空腔中心形成低壓區(qū)，常壓空氣從進(jìn)風(fēng)口被大量吸入后與初級(jí)氣流匯合形成高速、高容量的氣流從出風(fēng)口流出?？諝夥糯笃鲀?nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，根據(jù)射流理論，有限空間的固壁限制了射流的擴(kuò)散和卷吸，壁面的干涉導(dǎo)致了射流兩側(cè)的壓力損失不平衡，射流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成附壁現(xiàn)象［1－2］。壓縮空氣噴嘴處的流道結(jié)構(gòu)，關(guān)系著整個(gè)空氣放大器的工作效率和有效性，噴嘴寬度、側(cè)壁傾角的設(shè)計(jì)及選取直接影響到射流附壁效應(yīng)，從而影響整體的出風(fēng)量［3］。

空氣放大器一般采用環(huán)形噴嘴，是產(chǎn)生壓力損失最主要的位置，可形成穩(wěn)定的射流［4－5］。噴嘴的寬度是基準(zhǔn)參數(shù)，按照其是否可調(diào)節(jié)，空氣放大器分為固定式與可調(diào)式。噴嘴寬度應(yīng)根據(jù)射流基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)綜合確定，一般情況下，寬度的取值范圍為0.05～0.1mm。側(cè)壁傾角指的是傾斜側(cè)壁與空氣放大器中心軸線之間的夾角，它直接影響到射流的流動(dòng)狀態(tài)和壓力梯度。側(cè)壁傾角的設(shè)計(jì)原則是既要有利于流體的徑向流動(dòng)，又要減少能量損失，這樣才能避免射流與壁面脫離，根據(jù)自由射流理論及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，側(cè)壁傾角的取值范圍為10°～12°。

2 數(shù)值模擬過(guò)程

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

選取市面上某品牌的空氣放大器進(jìn)行逆向建模，在Pro／E軟件中建立殼體模型，保存為STP格式，導(dǎo)入GAMBIT中進(jìn)行處理成為流體模型。由于模型完全對(duì)稱，為了減小計(jì)算量，采用1／2模型進(jìn)行分析。網(wǎng)格的質(zhì)量對(duì)于仿真結(jié)果的影響很大，由于流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法生成統(tǒng)一的貼體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，所以采用分塊技術(shù)，將計(jì)算區(qū)域分為壓縮空氣區(qū)域、常壓空氣區(qū)域以及射流抽吸區(qū)域，采用T-Grid類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在比較規(guī)則的幾何體內(nèi)分別生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格［6］。壓縮空氣區(qū)域、常壓空氣區(qū)域采用Hex／Wedge網(wǎng)格形式，射流抽吸區(qū)域采用Tet／Hybird網(wǎng)格形式，網(wǎng)格間距根據(jù)模型大小與計(jì)算機(jī)性能綜合決定，設(shè)置為0.5，幾何模型劃分網(wǎng)格的結(jié)果如圖1所示。

圖1 幾何模型網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件

對(duì)于空氣放大器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬，邊界條件包括2個(gè)進(jìn)口和1個(gè)出口。壓縮空氣進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，假設(shè)壓縮空氣的絕對(duì)壓力為0.2 MPa，體積流量為0.4m3／min，換算可得壓縮空氣的質(zhì)量流量為0.008kg／s。進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為壓力進(jìn)口，進(jìn)口壓力為101 325Pa，假設(shè)進(jìn)口流速為35m／s，則動(dòng)壓為735Pa，靜壓為100 590Pa。出風(fēng)口設(shè)置為壓力出口，出口壓力設(shè)置為常壓101 325Pa。耦合面默認(rèn)為INTERIOR，其余表面及靜止的面默認(rèn)為WALL。

2.3 數(shù)學(xué)模型

忽略流體浮力的影響，假設(shè)空氣放大器的內(nèi)部流場(chǎng)是穩(wěn)定的軸對(duì)稱流動(dòng)，環(huán)形噴嘴出口截面上工作流體和引射流體互不混合，但緊密流動(dòng)［7］。流體的流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。由于射流場(chǎng)屬于湍流流場(chǎng)，利用微分方程直接求解射流場(chǎng)很難實(shí)現(xiàn)，需要附加引入湍流運(yùn)輸方程，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，因此控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍動(dòng)能k方程和耗散率ε方程。這幾個(gè)方程的通用形式為［8］：

φ為通用變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)。

3 計(jì)算及結(jié)果分析

設(shè)置運(yùn)算精度為10×10－8，迭代最大次數(shù)為3 000次，設(shè)置完畢后進(jìn)行求解。全程監(jiān)測(cè)迭代過(guò)程，求解完畢后進(jìn)行后處理得到可視化結(jié)果，以獲得對(duì)流場(chǎng)狀態(tài)的直觀認(rèn)識(shí)。

分析空氣放大器內(nèi)部的速度分布（圖2）及湍流強(qiáng)度分布（圖3），可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a.在常壓空氣區(qū)域及射流抽吸區(qū)域內(nèi)，流場(chǎng)呈對(duì)稱分布。在射流抽吸區(qū)域，可明顯看到附壁效應(yīng)。

b.在整個(gè)流場(chǎng)中，噴嘴處的流體流速是最大的，而且附壁面上的射流速度相對(duì)于周圍流體大很多，由Bernoulli方程可得，附壁面上的射流速度大則壓強(qiáng)小，而周圍流體速度小則壓強(qiáng)大，壓差使得流體附壁。從噴嘴沿著出風(fēng)口方向，隨著附壁面上射流速度的降低，射流也逐漸的脫離壁面，導(dǎo)致空氣放大器的抽吸能力不斷下降，具體表現(xiàn)為流場(chǎng)中心區(qū)域被引射的流體速度不斷降低。

c.湍流可使附壁層的厚度增加，不容易發(fā)生流體脫離壁面的現(xiàn)象［9］。從湍流強(qiáng)度的分布圖看出，噴嘴處是湍流強(qiáng)度最大的位置，隨著湍流強(qiáng)度的減弱，越來(lái)越不利于射流附壁，附壁層逐漸脫離壁面。

進(jìn)風(fēng)口質(zhì)量流量和出風(fēng)口質(zhì)量流量分別為0.103 101 80kg／s，0.111 101 806 9kg／s，可以得出采用上述條件下的壓縮空氣作為動(dòng)力源，空氣放大器的引射比為1∶12.89。而此型號(hào)的空氣放大器的設(shè)計(jì)引射比為1∶12，數(shù)值模擬計(jì)算的誤差為7.42%，在工程實(shí)際中此誤差是可接受，說(shuō)明利用FLUENT進(jìn)行空氣放大器的流場(chǎng)分析是可行的。

圖2 速度分布

圖3 湍流強(qiáng)度分布

4 結(jié)束語(yǔ)

空氣放大器的內(nèi)部流場(chǎng)較復(fù)雜，現(xiàn)有的理論解釋不盡完善，利用FLUENT軟件模擬了空氣放大器的射流附壁效應(yīng)，直觀反映出流體的流動(dòng)情況，可用來(lái)指導(dǎo)空氣放大器的設(shè)計(jì)工作，對(duì)于空氣放大器的推廣應(yīng)用具有一定的促進(jìn)作用。

在一定的工況下，如果需要提高引射比，增強(qiáng)空氣放大器的工作效率，可以將噴嘴寬度、側(cè)壁傾角作為試驗(yàn)因素，選取適當(dāng)?shù)乃?，?gòu)建旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)，按照上述的數(shù)值模擬方法，得出這2個(gè)因素關(guān)于引射比的單因素效應(yīng)及因素間的交互效應(yīng)，進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合。

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