基于脈沖的拉瓦爾噴管擴(kuò)張段流動(dòng)特性分析

畢方淇 ， 董 曉

（淄博市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，山東 淄博 255038）

拉瓦爾噴管廣泛應(yīng)用在農(nóng)機(jī)、航空、武器、噴涂、粉末或霧滴發(fā)生器中[1-2]。但某些工況下，由于拉瓦爾噴管尺寸較小，其內(nèi)部流動(dòng)不宜觀測(cè)，采用Fluent等仿真軟件對(duì)其進(jìn)行研究成為重要方式之一。

胡峰源等[3]發(fā)現(xiàn)，通入脈沖氣流的拉瓦爾噴管長(zhǎng)袋清灰效果更佳。戰(zhàn)仁軍等[4]研究發(fā)現(xiàn)脈沖拉瓦爾型噴嘴在霧化效果和射程上都能達(dá)到很好的效果。但兩者均未對(duì)脈沖工況下拉瓦爾噴管擴(kuò)張段流動(dòng)特性分析研究。

本文對(duì)通入脈沖氣流的拉瓦爾噴管仿真，嘗試獲得在脈沖工況下拉瓦爾噴嘴擴(kuò)張段流動(dòng)特性。

1 理論模型

拉瓦爾噴嘴內(nèi)流動(dòng)可視為一維等熵流動(dòng)，流動(dòng)過(guò)程中滿足絕熱和無(wú)摩擦條件[5]。

二維軸對(duì)稱積分形式的可壓縮非定常 Navier-Stokes方程：

式中：U為守恒變量；（FC,GC）和（FV,GV）分別為對(duì)流通量和黏性通量；H為軸對(duì)稱幾何源項(xiàng)。

2 網(wǎng)格模型

采用維托辛思曲線建立收縮段，SolidWorks建立幾何模型，導(dǎo)入icem網(wǎng)格劃分，塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 幾何模型圖

采用軸對(duì)稱模型，其中A為入口，截面積5 600mm2；最小截面面積400mm2；B為出口；C為對(duì)稱軸；總長(zhǎng)465mm，總高97mm。

邊界層首層尺寸0.1mm，比率1.2。網(wǎng)格生成后局部如圖2所示。合計(jì)47 200單元。

3 仿真模擬

采用Fluent對(duì)該模型進(jìn)行仿真。

湍流模型采用Realizable k-e，增強(qiáng)壁面；材料為空氣，密度為Ideal，黏度為Sutherland；UDF如下。

圖2 網(wǎng)格局部圖

邊界條件中，圖1中C為對(duì)稱軸，A為壓力入口，總壓T_p，超聲壓力S_p；B為壓力出口；采用Coupled耦合算法。

標(biāo)準(zhǔn)加載，計(jì)算步長(zhǎng)5e-5s，步數(shù)1 500步。

之后在模型中設(shè)置四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位置在距離軸線5mm位置，P1在截面最小處，P2-4分別在P1右側(cè)19mm、38mm、98mm處。

4 結(jié)果分析

分別選擇某個(gè)時(shí)間點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間歷程曲線進(jìn)行分析，分析以上幾點(diǎn)在一個(gè)脈沖周期內(nèi)的馬赫數(shù)變化。

5e-3s時(shí)，模型局部速度如圖3所示。

圖3 模型整體及局部速度云圖

根據(jù)圖3，發(fā)現(xiàn)當(dāng)入口采用脈沖壓力時(shí)，拉瓦爾噴管擴(kuò)張段會(huì)出現(xiàn)多重堆疊的壓力波，外側(cè)形成了一個(gè)邊界不斷變化的激波。

各點(diǎn)速度時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 各點(diǎn)速度時(shí)程曲線

分析發(fā)現(xiàn)，P1處速度較穩(wěn)定，保持在音速附近，在兩周期脈沖切換時(shí)間點(diǎn)，速度波動(dòng)較小；P2處速度反復(fù)波動(dòng)，在兩脈沖周期切換時(shí)間點(diǎn)，速度會(huì)發(fā)生突變；這也解釋了圖3中激波左部出現(xiàn)大量重合壓力波現(xiàn)象。P3、P4兩點(diǎn)壓力波動(dòng)基本與入口處壓力波動(dòng)吻合，但是在波峰位置額外出現(xiàn)大量小幅震蕩。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)拉瓦爾噴管進(jìn)行脈沖入口瞬態(tài)仿真，得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)入口壓力變化時(shí)，噴管擴(kuò)張段會(huì)出現(xiàn)多重堆疊的壓力波，外側(cè)形成了一個(gè)邊界不斷變化的激波。

2)當(dāng)入口壓力變化時(shí)，擴(kuò)張段及之后速度隨之發(fā)生震蕩，這種震蕩主要發(fā)生在脈沖的波峰段。

3)離開(kāi)噴管后的氣體也會(huì)在一定范圍內(nèi)保持周期性的速度變化，并對(duì)外部產(chǎn)生一定的周期性沖擊。