擴(kuò)散器角度對(duì)流體流動(dòng)能量損失的研究*

曹嘉佳

(蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇蘇州215123)

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擴(kuò)散器角度對(duì)流體流動(dòng)能量損失的研究*

曹嘉佳

(蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇蘇州215123)

空氣動(dòng)力特征, 例如空氣分流現(xiàn)象，壓力和阻力，都對(duì)賽車(chē)行駛過(guò)程中的燃料消耗的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的平穩(wěn)性有著重要影響。 本文主要針對(duì)擴(kuò)散器的錐角大小進(jìn)行研究。通過(guò)改變擴(kuò)散器角度的大小調(diào)節(jié)汽車(chē)行駛時(shí)車(chē)身遇到的阻力以及能量的損失，采用實(shí)驗(yàn)和CFD(Computational Fluid Dynamic)數(shù)值模擬兩種方式對(duì)三個(gè)不同角度(5°，24°，60°)的擴(kuò)散器進(jìn)行研究。通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果顯示，PRC壓力恢復(fù)系數(shù)隨著擴(kuò)散器角度的減小而增大。當(dāng)角度在5°時(shí)，空氣在擴(kuò)散器內(nèi)能量損失最少，這時(shí)擴(kuò)散器發(fā)揮最佳性能。

擴(kuò)散器 錐角 能量損失 數(shù)值模擬

擴(kuò)散器作為一種重要的裝置被用于各行各業(yè)[1]。在F1方程式賽車(chē)上[2-3]，F(xiàn)1方程式賽車(chē)車(chē)尾的擴(kuò)散器，賽車(chē)在高速?gòu)澋佬旭倳r(shí)，通過(guò)使用擴(kuò)散器來(lái)避免空氣的分流現(xiàn)象并且減小空氣流通的阻力和空氣的升力，從而降低流通中的能量損失來(lái)控制賽車(chē)行駛過(guò)程中的平穩(wěn)性和燃料燃燒的經(jīng)濟(jì)性[4-7]。2011年吉林大學(xué)通過(guò)計(jì)算機(jī)流體數(shù)值模擬的方法對(duì)5個(gè)不同角度的擴(kuò)散器(0°，3°，6°，9.8°，12°)進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明空氣的阻力特征隨著擴(kuò)散器角度的減小先增加后減小[8]。2014年印度的維斯瓦力亞大學(xué)通過(guò)CFD方法分析研究(7°，8°，9°，10°)四個(gè)不同角度的擴(kuò)散器，結(jié)果與吉林大學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，但他們得出在7°時(shí)，流體沒(méi)有分流現(xiàn)象，所以此時(shí)能量損失最少[9]。所以他們認(rèn)為擴(kuò)散器角度在7°以下的角度能發(fā)揮擴(kuò)散器的最大效率。之前的實(shí)驗(yàn)都驗(yàn)證了隨著擴(kuò)散器角度的減少，空氣阻力和升力越小，從而使汽車(chē)具有更優(yōu)的平穩(wěn)性，但是7°以下這個(gè)范圍還是很廣，擴(kuò)散器角度的選擇性很多，始終沒(méi)有確定最優(yōu)的擴(kuò)散器角度值。本次研究是對(duì)三個(gè)不同角度的擴(kuò)散器(5°，24°，60°)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證之前的結(jié)果，并且更加精確的找出能達(dá)到擴(kuò)散器最優(yōu)效果的錐角讀數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明及步驟

圖1 錐形擴(kuò)散器平面圖

由圖1可以得出，這個(gè)擴(kuò)散器由三部分組成：進(jìn)氣管，中部錐形管，出氣管。d是擴(kuò)散器進(jìn)口直徑；D是擴(kuò)散器出口直徑；Va是自由流體的速度；在擴(kuò)散器下方有兩個(gè)壓力計(jì)，短的一根壓力計(jì)是用來(lái)測(cè)試進(jìn)口①與出口②之間的壓力(P2)，長(zhǎng)壓力管是用來(lái)測(cè)試外界大氣Pa和進(jìn)氣口①間壓力(P1)。

實(shí)驗(yàn)步驟：1)選擇三個(gè)不同角度的擴(kuò)散器：5°，24°，60°。2)測(cè)量并記錄下進(jìn)口管上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)到中部錐形管的距離。3)檢測(cè)設(shè)備上水泡的位置，為了確保實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，調(diào)節(jié)兩個(gè)旋鈕使水泡移動(dòng)到容器中部。4)打開(kāi)進(jìn)氣開(kāi)關(guān)調(diào)到最大速度。5)等待一分鐘，直到壓力表中流體趨于穩(wěn)定，記錄下兩個(gè)壓力數(shù)值(由于度數(shù)誤差，記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)需要加上或減去0.1。6)然后再把進(jìn)口速度調(diào)到中速和低速，分別記錄下壓力計(jì)度數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)計(jì)算

2.1 計(jì)算進(jìn)口流體速度

通過(guò)伯努利方程(1)計(jì)算出擴(kuò)散器進(jìn)口的速度，此時(shí)壓力損失可忽略不計(jì)。Pa指的是大氣的壓強(qiáng)；V1是擴(kuò)散器進(jìn)口速度。當(dāng)Va?V1，Va可以被忽略，此時(shí)伯努利方程可以被簡(jiǎn)化為式(2)。

(1)

(2)

2.2 雷諾數(shù)(Reynolds Number)

雷諾數(shù)是用來(lái)判斷流體特性的一個(gè)重要依據(jù)。當(dāng)Re≥2 000，此時(shí)流體可認(rèn)為是湍流，反之則為層流。根據(jù)雷諾數(shù)(Reynolds Number)的定義很容易得到它的計(jì)算公式如公式(3)。ρ是流體的密度；μ流體的粘度。

(3)

2.3 能量損失

根據(jù)簡(jiǎn)化后的伯努利方程(4)和雷諾數(shù)方程可得到PRC計(jì)算方程如式(6)：

(4)

(5)

能量損失=PRC(ideal)-PRC

(6)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，選取了三個(gè)不同角度的擴(kuò)散器(5°，24°，60°)來(lái)測(cè)試空氣流過(guò)擴(kuò)散器的流體參數(shù)變化。表1收集了實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。同一個(gè)錐角擴(kuò)散器，通過(guò)控制進(jìn)口流體的速度大小來(lái)監(jiān)測(cè)記錄下壓力的變化，根據(jù)計(jì)算所得壓力差來(lái)計(jì)算出壓力恢復(fù)系數(shù)(PRC)值。根據(jù)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出擴(kuò)散器錐角和雷諾數(shù)對(duì)流體運(yùn)動(dòng)中能量損失的關(guān)系(圖2)。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 CFD數(shù)值模擬

4.1 建模和網(wǎng)格生產(chǎn)

實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備如圖1所示，錐形擴(kuò)散器是一個(gè)對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，為了減少模擬時(shí)間，并且簡(jiǎn)化實(shí)際問(wèn)題，可以將三維的模型轉(zhuǎn)化為二維的模型進(jìn)行模準(zhǔn)確率的結(jié)果，劃分后的網(wǎng)格必須進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試以得到最適合模擬流體運(yùn)動(dòng)的網(wǎng)格。最后將優(yōu)化后的網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT，進(jìn)行模擬計(jì)算流體通過(guò)擴(kuò)散器中的物理量變化。圖3呈現(xiàn)了完整的5°擴(kuò)散器建模。圖4為生成后的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

4.2 流體特性假設(shè)

研究流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，雷諾數(shù)是一個(gè)用來(lái)判定流體流動(dòng)特征的參數(shù)。當(dāng)Re<2 000，流體屬于層流。Re≥2 000，此時(shí)流體可被認(rèn)為是湍流。根據(jù)公式(5)計(jì)算得到此次在擴(kuò)散器中流動(dòng)的流體屬性為湍流。在這個(gè)特殊的研究案例中為了減少計(jì)算時(shí)間，選用ReynoldsAveragedNavierStokesEquation(RANS)來(lái)解決湍流問(wèn)題。當(dāng)考慮到模擬湍流的準(zhǔn)確性和計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。為了簡(jiǎn)化模擬的復(fù)雜性，選擇運(yùn)用standardwallfunction。由于它不需要太高精度的網(wǎng)格質(zhì)量，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)流體研究中。并且在Fluent模擬中選用簡(jiǎn)化后的納維-斯托克斯方程k-ε方程作為求解方法。k表示湍流的勢(shì)能，ε表示流體流動(dòng)時(shí)的能量損失[11]。選擇這個(gè)k-ε模型求解法也保證了適當(dāng)?shù)挠?jì)算時(shí)間和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.3 模擬結(jié)果與分析討論

圖2展示了流體在不同狀態(tài)時(shí)的能量損失情況。由圖2可知，三個(gè)不同角度擴(kuò)散器實(shí)驗(yàn)結(jié)果都顯示隨著雷諾數(shù)的增長(zhǎng)，恢復(fù)參數(shù)(PRC)數(shù)值幾乎趨于平穩(wěn)。雖然60°擴(kuò)散器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示PRC值有微小的下降，由于讀數(shù)時(shí)觀察視角不同，造成的讀數(shù)誤差，所以這個(gè)微小變化可以被忽略。 圖3顯示了PRC與擴(kuò)散器角度的關(guān)系。很明顯，隨著錐角的增加，相對(duì)應(yīng)PRC數(shù)值減小，流體流動(dòng)過(guò)程中能量損失越大。

通過(guò)CFD模擬實(shí)驗(yàn)，得到PRC與雷諾數(shù)和擴(kuò)散器錐角的關(guān)系如圖5。 從圖6可以得出，隨著雷諾數(shù)的增長(zhǎng)，PRC值幾乎恒定不變。但是，擴(kuò)散器錐角變化對(duì)PRC值的影響很大，隨著擴(kuò)散器錐角增大，PRC的值也隨之增長(zhǎng)。這個(gè)結(jié)論與實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論一致。從實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果來(lái)看，雷諾數(shù)對(duì)PRC值的影響微不足道。但是，擴(kuò)散器的角度對(duì)PRC的值有著重要的影響。由圖5得出，隨著擴(kuò)壓器角度的增加，PRC值將減少。當(dāng)流體通過(guò)60°的傾斜邊時(shí)，流體流動(dòng)分離導(dǎo)致一部分的動(dòng)能損失，此時(shí)的PRC值最小。這意味著，隨著錐角角度的增加，更多的能量可能會(huì)丟失。當(dāng)角度為5°時(shí)，此時(shí)流體能量損失最少，并且此時(shí)實(shí)驗(yàn)與模擬值最為接近。由圖6和7可得，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與CFD仿真結(jié)果一致且相對(duì)接近，證明CFD數(shù)值模擬的正確性。

5 結(jié)論

通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果，擴(kuò)散器中流體流動(dòng)的能量損失與擴(kuò)散器的角度有關(guān)，角度越小，能量損失越小，尤其是在5°的時(shí)候，流體基本可以避免分流現(xiàn)象，能量損失達(dá)到最小，此時(shí)擴(kuò)散器達(dá)到最優(yōu)使用效率。并且，通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方式，CFD數(shù)值模擬更加省時(shí)，且結(jié)果的準(zhǔn)確性很高。因此，在解決有關(guān)流體研究方面問(wèn)題時(shí)，CFD模擬方法是一種可靠的首選方式。同時(shí)，本次模擬只模擬了2D模型，未來(lái)需對(duì)3D模型進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

[1]RuhrmannA,ZhangX.Influenceofdiffuserangleonabluffbodyingroundeffect[J].JournalofFluidsEngineering, 2003,125(2): 332-338.

[2]AhmedH,ChackoS.Computationaloptimizationofvehicleaerodynamics[C]//Proceedingsofthe23rdInternationalDAAAMSymposium.Vienna:DAAAMInternational,2012: 0313-0318.

[3] Singh J, Randhawa J S. CFD analysis of aerodynamic drag reduction of automobile car-a review[J]. International Journal of Science and Research, 2014,3(6):213-215.

[4] TienPhuc D, ZhengQi G, Zhen C. Numerical simulation of the flow field around generic formula one[J]. Journal of Applied Fluid Mechanics, 2016,9(1):443-450.

[5] Lefebvre A H, Ballal D R. Gas Turbine combustion:Alternative fuels and emissions[M].3rd ed. CRC Press, 2010: 79-112.

[6] Chandra S, Lee A, Gorrell S, et al. CFD analysis of PACE formula-1 Car[J]. Computer-Aided Design and Applications,2011(1): 1-14.

[7] Chandavari V, Palekar S. Diffuser angle control to avoid flow separation[J]. International Journal of Technical Research and Applications, 2014,2(5):16-21.

[8] Hu X J, Zhang R, Ye J, et al. Influence of different diffuser angle on sedan’s aerodynamic characteristics[J]. Physics Procedia,2011, 22: 239-245.

[9] Anderson J. Computational fluid dynamics[M]. New York: McGraw-Hill,1995.

[10] Sagar D, Paul A R, Jain A. Computational fluid dynamics investigation of turbulent separated flows in axisymmetric diffusers[J]. International Journal of Engineering, Science and Technology, 2011,3(2):104-109.

[11] Versteeg H, Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics[M]. Harlow: Longman, 1996.

The influence of diffuser angle on the fluid energy loss

CAO Jiajia

The aerodynamic characteristics, such as split-flow, pressure and drag, would significantly influence the fuel consumption and stability of the racing car. In this study, we analyzed the influence of the diffuser angle on the drag and the energy loss of the car through experiment and CFD numerical simulation of three diffusers with different angles(5°，24°，60°). The results showed that, the pressure recovery coefficient(PRC) increased with the decrease of the diffuser angle. When the angle was 5°, the energy loss in the diffuser was the lowest, and the diffuser displayed the best performance.

diffuser，angle，energy loss，numerical simulation

TK41

A

1002-6886(2016)05-0071-04

“江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目”，項(xiàng)目編號(hào)：PPZY2015A088。

曹嘉佳 (1992-)，女，碩士研究生，教師，主要研究流體力學(xué)工程。

2016-04-29