漸縮噴管與直短管的流場數(shù)值模擬及分析比較

崔祖濤++周林元

摘 要：本文介紹了漸縮噴管內(nèi)外部流動數(shù)值模擬的基本理論和方法，通過計算流體力學（CFD）技術(shù)對工質(zhì)流體流經(jīng)直短管和漸縮噴管的流動狀態(tài)進行模擬，分析了工質(zhì)流體流經(jīng)噴管時噴管內(nèi)外部的流場分布，并對兩種短管的性能加以比較。

關(guān)鍵詞：漸縮噴管；數(shù)值模擬；流場；卷吸

1 噴管應用概述

噴管的應用范圍幾乎包含所有工業(yè)領(lǐng)域、交通運輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以及人民日常生活。除了人們熟知的燃燒設(shè)備和裝置外，在非燃燒工業(yè)設(shè)備上也廣泛應用。

2 物理模型

圖中D為噴管進口直徑，d為出口直徑，L為直管長度，H為收縮段高度。由于噴管的流動為對稱的，所以可以采用二維模型，采用輸入坐標構(gòu)造模型，并且為了能夠得到較好的網(wǎng)格，采用分塊劃分網(wǎng)格，從而避開網(wǎng)格產(chǎn)生的畸形。

因為該模型對稱，計算簡單，所以直接用面的形式進行網(wǎng)格劃分，為了使換分網(wǎng)格更精確，做輔助面將其劃分為多個面，然后按照所分的區(qū)域，分區(qū)域劃分網(wǎng)格，采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，同時采用四邊形網(wǎng)格，經(jīng)檢測，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

3 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

3.1 噴管的工作原理

高壓低速的流體流過噴管時壓力降低，流速增加，壓力能減小動能增加。工質(zhì)在壓差的作用下，迅速擴散，動能增加的同時對外做功，或者將速度能轉(zhuǎn)換成壓力能。

3.2 模擬的流體力學基礎(chǔ)

（1）連續(xù)性方程。在有限控制體中，質(zhì)量守恒意味著：控制體表面的凈質(zhì)量流出等于控制體內(nèi)質(zhì)量的時間變化率。即：

（2） 動量守恒方程。動量守恒定律是任何流動系統(tǒng)必須滿足的基本定律，

（3）能量守恒方程。能量守恒定律包含有熱交換的流動系統(tǒng)必須滿足的基本定律，其表達式為：

除了流體的三大基本方程，還有組分質(zhì)量守恒方程、控制方程的通用形式以及湍流的控制方程、守恒型控制方程和非守恒型控制方程等方程。

4 邊界條件及殘差曲線

壓力進口邊界條件，入口壓力略低于儲氣罐壓力（5bar），理想空氣的參數(shù)：溫度為300K，ρ=1.225kg/m3 μ=14.8×10-6Pa·S，噴管的進口水力直徑等于噴管直徑，即16mm。湍流模型計算得：k=0.26m2/s2；k-ε=19.3m2/s3。Outlet設(shè)為presssure-outlet即出口邊界條件。

求解計算迭代殘差曲線如下：

進出口質(zhì)量流量相差0.0065239258Kg/s，計算誤差為0.0876079%，滿足質(zhì)量守恒方程，該模擬結(jié)果收斂。

5 流場模擬

利用模擬軟件及試驗工況可以得到以下各圖：

通過以上各云圖及曲線圖，可以看出流體流經(jīng)噴管時壓力減小，速度增加，湍動能增加；可以用來印證教學以及實驗。

6 數(shù)值計算分析比較

采用尺寸相近的直短管做噴管來比較，其余條件相同。為了便于比較分析，將二者軸線上的速度write出的文件導入origin進行處理，得到直管和漸縮噴管的軸線速度隨距噴管入口距離變化的曲線，如圖5所示。

通過比較可以清晰的看出漸縮噴管的卷吸效果非常明顯，在氣流過程中形成明顯的低壓區(qū)，速度明顯的高于直管，得出在相同的條件下，漸縮噴管相對于直管具有良好的卷吸效果，能夠獲得更大的動量，因此在需要更大動量的設(shè)備運行中應盡量將直管改為漸縮噴管以節(jié)約成本。

7 結(jié)束語

數(shù)值模擬的結(jié)果表明，漸縮噴管可以比直管式噴管獲得更高的動量，同時也表明漸縮噴管可以廣泛應用于較大出流的場所。另外在實際教學中可用數(shù)值模擬來代替部分試驗，讓學生能夠直觀的觀察到各種工況的現(xiàn)象；同樣也可用于實際工程試驗，達到縮短周期、節(jié)省開發(fā)費用的目的。

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作者簡介：崔祖濤（1985-），男，河南開封人，本科，研究方向：鍋爐燃燒，職稱初級。endprint