基于Fluent的低壓噴射器漸縮型噴射管數值模擬研究

張義 牛鵬宇 張金泉

摘 要：根據氣固兩相流動理論，對氣固兩相采用歐拉-拉格朗日方法和湍流模型，對低壓噴射器噴射管的管內和管外流場進行二維數值模擬研究。對噴射粉末采用顆粒軌道模型，考慮氣固兩相耦合作用。結果表明：顆粒的加入使氣體的速度產生驟降，隨后氣粉流速度趨于穩(wěn)定。但由于管體漸縮角的增大，圓管直徑越來越小，此時氣粉流速度逐漸增大，在噴射管出口處外的一小段距離上形成核心射流區(qū)，隨后，速度急劇衰減。

關鍵詞：低壓噴射器；噴射管；數值模擬

低壓噴射器是以風機高速轉動產生低壓氣動力達到噴射粉末為目的的裝置，噴射管管和管外的流動屬于氣固兩相流動，在動力源給定的前提下，噴射器以漸縮型噴射管為模型進行二維數值模擬研究。

1 數值模型

1.1 連續(xù)相控制方程

1.1.1 連續(xù)方程

（1）

式（1）中，為氣體體積份額；為氣體密度；為向速度分量；為時間；、=1，2為坐標方向。

1.1.2 動量方程

（2）

式（3—2）中， ；為向速度分量；為壓力；為粘性系數；為湍動粘度，；為經驗常數，為湍動能，為耗散率；為克羅內克函數（當時，；當時，）；為向速度分量；是顆粒與流體間的相互作用力，它與流體的性質、空隙率以及顆粒的相對速度有關，可表示為，式中為曳力系數，為固體顆粒速度，為氣體速度；為重力加 速度；、=1，2為坐標方向。

1.1.3 方程

（3）

式（3）中，，

是固體顆粒產生相；為曳力系數；為瞬時速度脈動量；在稀相氣固兩相流模擬中再分布相不加考慮。

1.1.4 湍流動能耗散方程

（4）

式（3—4）中，這里為源常數項；為湍動能對應的普朗特數；、為經驗系數；為平均速度梯度引起的紊

動動能產生項，。

1.2 顆粒運動方程

（5）

（6）

式（5）中為顆粒位移；為顆粒的碰撞力；為流體對顆粒的總作用力；為壓力梯度；為固體單顆粒的體積，式（6）中為顆粒轉動的角速度；為顆粒受到的轉動合力矩；為顆粒的轉動慣量。

2 模型建立

2.1 物理模型

圖1 漸縮型噴射管尺寸標注圖

氣流入口直徑、粉顆粒入口直徑、出口直徑為、管長。

2.2 Fluent前處理

圖2 漸縮型噴射管管內、外流場示意圖

利用Fluent的前處理器Gambit軟件對漸縮型噴射管的管內和管外流場進行網格劃分，網格的劃分采用四面體網格。網格總數302390。

氣流入口和顆粒入口設置為速度入口，出口邊界設置為壓力出口。

圖3 漸縮型噴射管流場區(qū)域網格劃分

3 數值模擬結果

3.1 速度分析

（a）速度流場圖 （b）速度位移圖

圖4 漸縮型噴射管速度流場和速度位移圖

3.2 壓力分析

（a）全壓流場圖 （b）全壓位移圖

圖5漸縮型噴射管管內和近口流場全壓力圖

（a）動壓流場圖 （b）動壓位移圖

圖6 漸縮型噴射管管內和近口流場動壓力圖

（a）靜壓流場圖 （b）靜壓位移圖

圖7 漸縮型噴射管管內和近口流場靜壓力圖

4 結語

顆粒的加入使氣體的速度產生驟降，隨后氣粉流速度趨于穩(wěn)定。顆粒的加入使管內動壓增加，靜壓力減小，隨后趨于平衡，管內全壓力整體下降。在噴射管出口處外的一小段距離上形成核心射流區(qū)，隨后氣粉流速度急劇衰減。流場動壓力的變化規(guī)律與氣粉流速度的變化規(guī)律相同，速度的變化可認為是動壓力變化的直觀表現(xiàn)。

參考文獻：

[1] 徐進，葛滿初.氣固兩相流動的數值計算[J].工程熱物理學報.1998（02）：233-236.

[2] 張愛榮.試談力學基本定律及其應用[J].科技信息.2009（27）：198.

[3] 李忠照.力學解題與參照系的選擇[J].濰坊教育學院學報.1998（Z1）：57-59.

[4] 戴天民.重建極性連續(xù)統(tǒng)理論的基本定律和原理（Ⅺ）——兼容性問題[J].應用數學和力學.2007（02）：147-155.

[5] 韓景春，孫守凱.能量轉化和守恒定律是誰發(fā)現(xiàn)的？[J].物理通報.1994（06）：38-39.