不同噴泉噴頭結(jié)構(gòu)形式水力特性比較分析

吳丹

水景噴泉以其獨(dú)特的柔美舞姿以及千變?nèi)f化的形態(tài)吸引著人們的目光，已成為現(xiàn)代人們審美藝術(shù)的重要組成部分，在人們的精神文化生活中起著不可或缺的作用?，F(xiàn)代噴泉主要由控制系統(tǒng)、燈光、設(shè)備及音響系統(tǒng)等組成，其中噴頭為噴泉設(shè)備的關(guān)鍵部件。

1.常見的管嘴形狀比較

由于常見的管嘴形狀中流線型管嘴的流速系數(shù)及流量系數(shù)較大[1]，因此選用流線型噴頭與現(xiàn)有噴頭進(jìn)行比較分析。圖1 為兩種不同形狀的噴頭，兩種噴頭上部流道形狀不同：結(jié)構(gòu)1 采用母線為直線的錐形，現(xiàn)有噴泉噴頭絕大多數(shù)均采用該結(jié)構(gòu)形式；結(jié)構(gòu)2 采用母線為圓弧曲線的錐形，其余結(jié)構(gòu)相同。

圖1 不同結(jié)構(gòu)噴頭比較

在三維繪圖軟件中繪制噴頭流道內(nèi)流體部分，采用有限體積方法對其離散，導(dǎo)入FLUENT 中進(jìn)行基本設(shè)置。設(shè)置噴頭入口的邊界條件處為壓力入口，考慮現(xiàn)實(shí)噴泉噴射高度，設(shè)置入口處壓力為0.5MPA，設(shè)置出口的邊界條件為壓力出口，出口壓力為相對大氣壓力，即0MPA，計(jì)算過程中應(yīng)考慮重力的影響，在運(yùn)行條件中設(shè)置重力加速度為9.8m/s2。由于考慮噴頭內(nèi)部水流出后的計(jì)算，采用非定常方法，由于不考慮噴頭內(nèi)部能量方程與動量方程的相互耦合作用，采用PISO 算法對流場進(jìn)行迭代計(jì)算[2]，并得到這兩種噴頭內(nèi)部的壓力分布和速度矢量分布。

2.噴頭壓力分析

圖2 為兩種噴頭壓力分布圖，下端為噴頭入口，上端為噴頭出口，下端空白部分為入口處四片導(dǎo)流柵。通過圖（a）、圖（b）比較分析，噴頭流道內(nèi)水流壓力均呈現(xiàn)壓力逐漸減小的趨勢，由于噴頭處急劇變化流體邊界較少，局部及沿程損失均可不計(jì)，由能量方程可知，入口處流體的壓能將轉(zhuǎn)換為噴頭出口處的位能和動能，圖（b）形式的噴頭出口出水壓更低，則其由入口處轉(zhuǎn)化的動能流速也就越高，噴射高度也越大。

圖2 壓力分布圖

3.噴頭流速分析

從圖3 中也可以看出兩種結(jié)構(gòu)內(nèi)流速的不同，流線型結(jié)構(gòu)噴頭出口處流速明顯高于直線型噴頭，其噴射高度更高。

圖3 速度矢量圖

圖4 為兩種噴頭的外部流場水的分布圖，可以看出，流線型噴頭噴射高度及水型均較好。

圖4 兩種噴頭的外部流場水的分布圖

4.結(jié)語

綜上所述，好的內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)不僅可增加噴泉噴水高度，而且會使噴泉出水水型較好。本文通過目前在計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的軟件FLUENT，計(jì)算比較了兩種不同的流道結(jié)構(gòu)的噴頭內(nèi)部水流的速度場及壓力場，并選擇出較好的流道結(jié)構(gòu)形式。