基于薄填充床模型的射流折射現(xiàn)象研究

摘 要 本文主要研究了射流沖擊斜置網(wǎng)面后因下游射流路徑發(fā)生改變所產(chǎn)生的射流折射現(xiàn)象。在研究中網(wǎng)面被看成一個(gè)薄填充床，利用法向壓降、切向阻力求出了兩個(gè)恢復(fù)系數(shù)并表示出了折射程度的特征量—偏折角。將實(shí)驗(yàn)探究與Fluent仿真分析相結(jié)合，通過(guò)控制流速、射流直徑、網(wǎng)面傾角與目數(shù)等參數(shù)得到了射流折射現(xiàn)象隨這些參數(shù)變化的規(guī)律。結(jié)果表明：篩網(wǎng)傾角和目數(shù)對(duì)偏折現(xiàn)象的影響最明顯，目數(shù)較高或網(wǎng)面孔隙率較小時(shí)還會(huì)發(fā)生貼網(wǎng)流動(dòng)和內(nèi)偏折現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞 射流折射;多孔介質(zhì);薄填充床;穿網(wǎng)壓降;速度恢復(fù)系數(shù)

第36屆國(guó)際青年物理學(xué)家競(jìng)賽（IYPT）中提出了這樣一個(gè)問(wèn)題：一束垂直射流通過(guò)帶有細(xì)網(wǎng)的斜篩時(shí)，會(huì)發(fā)生折射?？偨Y(jié)提出這類(lèi)折射的規(guī)律并研究相關(guān)參數(shù)。研究流體通過(guò)網(wǎng)面時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)與動(dòng)力學(xué)分析是一個(gè)非常有意義的課題[1-7]。流體以射流的形式?jīng)_擊網(wǎng)面時(shí)，對(duì)其流動(dòng)狀態(tài)變化的研究在聚結(jié)器濾芯、過(guò)濾器、液體燃料霧化[8]等方面有著極為廣泛的應(yīng)用。例如航天器推進(jìn)劑儲(chǔ)存罐中通常利用網(wǎng)面在微重力環(huán)境下的液體燃料留存特性[9]實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)二次點(diǎn)火，這些特點(diǎn)在姿態(tài)調(diào)整、火箭回收方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

以往的研究多集中在射流對(duì)網(wǎng)面的沖擊上，人們大多關(guān)注射流沖擊帶來(lái)的壓降[10]以及下游射流的速度、直徑與上游相比的變化[9]等，對(duì)沖擊后下游流體路徑變化的探索很少。特別是當(dāng)射流與網(wǎng)面呈一定夾角入射時(shí)，下游射流的流動(dòng)方向會(huì)發(fā)生偏折，即射流的路徑因斜置網(wǎng)面發(fā)生了改變，就好像發(fā)生了“折射”一樣。在研究射流與網(wǎng)面作用中對(duì)篩網(wǎng)幾何特征的描述至關(guān)重要，編織網(wǎng)可以被當(dāng)作一種特殊的多孔介質(zhì)來(lái)描述，而采用填充床模型來(lái)描述多孔介質(zhì)最為常見(jiàn)[10]。本文主要基于薄填充床模型研究了流體沖擊斜置篩網(wǎng)產(chǎn)生的壓降，并借助動(dòng)量方程分別得出了流體沿網(wǎng)面的法向與切向速度恢復(fù)系數(shù)，最終用偏折角度來(lái)描述射流折射這一現(xiàn)象并討論了各個(gè)參數(shù)對(duì)該現(xiàn)象的影響。