漸縮噴管與直短管的流場(chǎng)數(shù)值模擬及分析比較

崔祖濤,周林元（新疆工程學(xué)院電力工程系,烏魯木齊 830091）

漸縮噴管與直短管的流場(chǎng)數(shù)值模擬及分析比較

崔祖濤,周林元
（新疆工程學(xué)院電力工程系,烏魯木齊 830091）

摘 要：本文介紹了漸縮噴管內(nèi)外部流動(dòng)數(shù)值模擬的基本理論和方法，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)對(duì)工質(zhì)流體流經(jīng)直短管和漸縮噴管的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬，分析了工質(zhì)流體流經(jīng)噴管時(shí)噴管內(nèi)外部的流場(chǎng)分布，并對(duì)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(chǎng)；卷吸

1　噴管應(yīng)用概述

噴管的應(yīng)用范圍幾乎包含所有工業(yè)領(lǐng)域、交通運(yùn)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(yīng)用。

2　物理模型

圖中D為噴管進(jìn)口直徑，d為出口直徑，L為直管長(zhǎng)度，H為收縮段高度。由于噴管的流動(dòng)為對(duì)稱(chēng)的，所以可以采用二維模型，采用輸入坐標(biāo)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(kāi)網(wǎng)格產(chǎn)生的畸形。

因?yàn)樵撃Ｐ蛯?duì)稱(chēng)，計(jì)算簡(jiǎn)單，所以直接用面的形式進(jìn)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(gè)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(shí)采用四邊形網(wǎng)格，經(jīng)檢測(cè)，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(guò)噴管時(shí)壓力降低，流速增加，壓力能減小動(dòng)能增加。工質(zhì)在壓差的作用下，迅速擴(kuò)散，動(dòng)能增加的同時(shí)對(duì)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(xué)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(shí)間變化率。即：

（2） 動(dòng)量守恒方程。動(dòng)量守恒定律是任何流動(dòng)系統(tǒng)必須滿(mǎn)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(dòng)系統(tǒng)必須滿(mǎn)足的基本定律，其表達(dá)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(xiàn)

壓力進(jìn)口邊界條件，入口壓力略低于儲(chǔ)氣罐壓力（5bar），理想空氣的參數(shù)：溫度為300K,ρ=1.225kg/m3μ=14.8×10-6Pa?S,噴管的進(jìn)口水力直徑等于噴管直徑，即16mm。湍流模型計(jì)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(jì)算迭代殘差曲線(xiàn)如下：

進(jìn)出口質(zhì)量流量相差0.0065239258Kg/s，計(jì)算誤差為0.0876079%，滿(mǎn)足質(zhì)量守恒方程，該模擬結(jié)果收斂。

5　流場(chǎng)模擬

利用模擬軟件及試驗(yàn)工況可以得到以下各圖：

通過(guò)以上各云圖及曲線(xiàn)圖，可以看出流體流經(jīng)噴管時(shí)壓力減小，速度增加，湍動(dòng)能增加；可以用來(lái)印證教學(xué)以及實(shí)驗(yàn)。

6　數(shù)值計(jì)算分析比較

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

通過(guò)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(guò)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(duì)于直管具有良好的卷吸效果，能夠獲得更大的動(dòng)量，因此在需要更大動(dòng)量的設(shè)備運(yùn)行中應(yīng)盡量將直管改為漸縮噴管以節(jié)約成本。

7　結(jié)束語(yǔ)

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(dòng)量，同時(shí)也表明漸縮噴管可以廣泛應(yīng)用于較大出流的場(chǎng)所。另外在實(shí)際教學(xué)中可用數(shù)值模擬來(lái)代替部分試驗(yàn)，讓學(xué)生能夠直觀(guān)的觀(guān)察到各種工況的現(xiàn)象；同樣也可用于實(shí)際工程試驗(yàn)，達(dá)到縮短周期、節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用的目的。

參考文獻(xiàn):

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作者簡(jiǎn)介：崔祖濤（1985-），男，河南開(kāi)封人，本科，研究方向：鍋爐燃燒，職稱(chēng)初級(jí)。