基于Fluent低压旋流喷嘴下游流场数值模拟及分析

［研究·设计］DOI:10．3969/j．issn．1005-2895．2012．05．007收稿日期:2012-03-12;修回日期:2012-03-30作者简介:董星涛(1962)，男，浙江宁波人，副教授，主要从事CAD/CAM和快速成型技术方面的研究。E-mail:[e-mail]基于Fluent低压旋流喷嘴下游流场数值模拟及分析董星涛，李超，朱健，付方凯，洪张舟(特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室(浙江工业大学)，浙江杭州310014)摘要:运用Fluent软件模拟了低压旋流喷嘴下游流场喷雾情况。利用欧拉-拉格朗日模型模拟气液两相耦合流动。模拟显示:喷嘴喷雾形状为空心锥状，与实验得到的喷雾形状相符。喷雾的液滴速度分布于15～25m/s之间，且随轴向距离的增大而减小;喷雾的液滴直径沿轴向距离增大而增大。图7参9关键词:数值模拟;旋流喷雾;速度;颗粒直径;Fluent软件中图分类号:TB126;TQ051文献标志码:A文章编号:1005-2895(2012)05-0025-04NumericalSimulationandAnalysisofDownstreamFlowFieldofLow-PressureSwirlNozzleBasedonFluentDONGXingtao，LIChao，ZHUJian，FUFangkai，HONGZhangzhou(KeyLaboratoryofE＆M(ZhejiangUniversityofTechnology)，MinistryofEducation＆ZhejiangProvince，Hangzhou310014，China)Abstract:Thepapersimulatedthedownstreamflowfieldatomizationsituationoflow-pressureswirlnozzlebyusingFluentsoftware．TheEuler-Lagrangianmodelswereappliedtosimulategas-liquidtwophasecoupledflow．Andthesimulationresultsshowthatwhenatomizingliquidspraywithhollowconeshapeaccordswithexperimentalresults．Thedropletvelocityrangedfrom15m/sto25m/sdecreaseswiththesprayparticlediameterincreases;however，diameterofthespraydropletwillbeincreasedwiththeincreasingofaxialdistancealongtheaxle．［Ch，7fig．9ref．］Keywords:numericalsimulation;swirlspray;velocity;particlediameter;Fluentsoftware1问题的提出喷雾的数值模拟是一个极其困难的课题，因为喷嘴内气体的宏观流动和湍流脉动对喷雾有强烈的影响，而喷雾本身又是由尺寸各异的大量细微雾滴和空气组成的两相混合物［1］。其复杂性和不稳定性给研究带来很大的困难，通过阅读大量文献可知，国内针对低压喷雾器下游流场模拟的研究较少，前人的研究主要集中对喷嘴的上游流场进行数值模拟，因此，还需继续研究喷嘴下游流场从而充分了解喷嘴下游流场特性。本文在家用手扣式喷雾器［2］基础上，设计了图1中的旋流喷嘴，并进行实验，得到了喷嘴下游喷雾如图2所示。然后简化喷嘴模型，并应用Fluent软件模拟喷嘴喷雾，分析喷雾液滴速度、液滴直径等数据。图1旋流喷嘴结构图Figure1Swirlnozzlestructurediagram2喷嘴数学模型建立旋流喷嘴喷雾可以认为喷出的液滴(离散相)非常稀薄(图2)，因而颗粒-颗粒子间的相互作用、颗粒第30卷第5期2012年10月轻工机械LightIndustryMachineryVol．30No．5Oct．2012图2旋流喷雾雾化实验Figure2Sprayexperimentofswirlnozzle的体积分数对连续相的影响非常小而可以不考虑。Fluent中的欧拉-拉格朗日离散模型，将液滴视为离散相，空气视为连续相，采用标准的湍流模型建立连续相和离散相耦合的控制方程组进行计算。2．1连续相数学模型假设连续相流体为连续、等温且不可压缩牛顿流体的稳态流动。连续方程［3］ρt+ρuixi=0(1)动量方程［3］ρuit+xi(ρuiuj)=－pxi+xj(μ+μi)uixj+ujx()[]i(2)湍流动能κ方程和耗散率ε方程［4］(ρk)t+(ρkui)xi=xjμ+μiσ()kkx[]j+Pk+Pb－ρε－YM+Sk(3)(ρε)t+(ρεui)xi=xjμ+μiσ()εεx[]j+C1εεk(Pk－C3εPb)－C2ερε2k+Sε(4)方程(3)和(4)中，C1ε=1．44，C2ε=1．92，C3ε=0.09，σk=1．0，σε=1．3，Pk表示由速度梯度而产生的湍流动能，Pb为由浮力产生的湍流动能，YM由在可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动。2．2离散相数学模型Fluent是通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒的轨道。在流动过程中，颗粒在雾化场中受到曳力、压力梯度力、虚拟质量力及重力等力的作用，因而颗粒将沿轨道发生速度变化。1)颗粒作用力平衡方程在拉格朗日坐标系中考虑颗粒沿轨道运动时，单个颗粒或液滴的运动方程可由力平衡得到，在直角坐标系下的颗粒运动方程(沿x方向)［5］为duPdt=FD(u－uP)+gx(ρP－ρ)ρP+Fx(5)式(5)中FD(u－uP)为颗粒的单位质量曳力，并且FD为FD=18μρPd2P·CDRe24(6)其中，u为流体相速度，uP为颗粒速度，μ为流体动力黏度，ρ为流体密度，ρP为颗粒密度，gx为重力加速度，dP为颗粒直径，Re为相对雷诺数，CD曳力系数。2)颗粒的轨道积分方程颗粒轨道方程以及描述颗粒质量附加都是在离散的时间步长上逐步进行积分运算求解的。对方程(5)积分就得到了颗粒轨道每个位置上的颗粒速度，颗粒轨道通过(7)式可以得到dxdt=uP(7)3模型网格划分为了研究喷嘴的雾化效果，取喷嘴下游区域(雾化颗粒喷出区域)为研究对象，在Gambit中建立如图3所示的网格模型，网格模型包括喷嘴喷孔和空气柱2部分。喷嘴喷孔大小由实际用喷嘴尺寸确定，仿真的喷孔直径为0．5mm，空气柱直径为0．16m，长为0．2m，网格划分采用非结构化六面体cooper方法。1—液相入口;2—喷嘴喷孔部分;3—出口;4—壁面;5—气相入口;6—下游雾化区域图3雾化区域网格模型Figure3Gridmodelofatomizationarea4边界条件和初始条件设置Fluent是基于有限体积法对控制方程进行离散，采用SIMPLE算法对速度与压力进行耦合求解，气液无能量交换。首先计算无喷雾时的气体连续相流场，待计算收敛后，作为两相流计算的初始场;然后加入离·62·轻工机械LightIndustryMachinery2012年第5期散相，使离散相与连续相耦合计算直至收敛，计算可得到颗粒轨迹，颗粒速度，粒子直径等数据。空气作为连续相且用一阶迎风差分格式进行计算，对动量方程采用二阶迎风差分格式进行计算。离散相选用标准κ-ε湍流模型，近壁面为标准的壁面函数。应用压力旋流雾化模型，水为喷射介质，选择离散相与连续相耦合方式，动态曳力模型，考虑颗粒的破碎，破碎模型选择TAB(泰勒比)模型，并且假设计算过程液滴为球形。入口边界:气相入口边界条件为速度入口，速度值取室内无风或微风时气流速度0．25m/s［6］;液相入口边界为压力入口，压力值取本实验中雾化器的工作压力0．3MPa。出口边界:出口边界为压力出口，压力值为1个大气压。壁面边界:采用无滑移壁面边界条件，对于离散相，壁面设置为escape类型，终止轨道计算。5数值计算结果与分析5．1喷雾模拟结果与实验结果对比由图4与图2比较可知，喷雾模拟得到的雾化形状与实验拍摄的雾化形状一致，都成空心状圆锥状散开，说明本仿真基本可以反映喷嘴喷雾。图4中，喷雾颗粒的速度大于气相入口气流的速度0．25m/s，说明室内喷射时，颗粒不会漂移，击中目标的效率更高。雾化区域距喷口近处的颗粒较密，距喷口较远处颗粒变得稀薄。这是由于颗粒能量损失，颗粒破裂及被蒸发等因素造成的。图4雾化颗粒轨道Figure4Trackofatomizationparticles5．2颗粒速度的变化情况由文献［7］可知，喷嘴出口速度v≈44．7槡P/(m·s－1)，其中P为喷嘴入口处初始压力/MPa。仿真初始工作压力取0．3MPa，因此可得到喷嘴出口速度约为24．48m/s，这与模拟得到的结果接近。图5中可以得到颗粒轴向速度分布在15～25m/s之间，颗粒轴向速度沿轴向距离的增大而减小，在距喷口约50mm内颗粒速度的降低幅度约为20%，然后从距喷口约50mm处轴向速度降低幅度开始变小。图6中颗粒径向速度沿轴向喷射距离成缓慢减小的趋势，正负方向的变化趋势相似且成对称状。5．3颗粒直径的变化情况图7中，喷雾颗粒直径大小分布在300～500μm之间，并且随着轴向距离的增大，颗粒直径逐渐增大直至趋于平缓。由资料可知，液滴直径属于水雾类，其粒径大小适合于家用喷雾［8］。图7颗粒直径分布图Figure7Particlediameterdistribution6结论Fluent软件提供了强大的计算功能和前、后处理能力［9］，更能直观地观测到喷嘴下游的喷雾情况。通过对低压旋流喷嘴的下游雾化区域进行数值模拟分析和讨论，得到了以下结论:(下转第32页)·72·［研究·设计］董星涛，等基于Fluent低压旋流喷嘴下游流场数值模拟及分析图10加工后工件表面图Figure10Imageofsurfaceafterhydrodynamicsuspensionmachining参考文献(References):［1］MULDOWNEYGP．Polishingpadhavingslurryutilizationenhancinggrooves:US，7018274［P］．2006-03-28．［2］刘波．抛光垫表面构造和组织对CMP影响效果的研究［D］．大连:大连理工大学，2006．［3］ZHAOBmjuan，YUANShouqi，LIUHoulin，etal．Three-dimensionalcoupledimpeller-volutesimulationofflowinacentrifugalpumpandperformanceprediction［J］．ChineseJournalofMechanicalEngineering，2006，19(1):59－62．［4］周莉，席光，蔡元虎．进口导叶/叶轮/扩压器非定常相干的数值研究［J］．西北工业大学学报，2007，25(5):625－629．［5］耿少娟，聂超群，黄伟光，等．不同叶轮形式下离心泵整机非定常流场的数值研究［J］．机械工程学报，2006，42(5):27－31．［6］SHUMYKP，TANCS，CUMPSTYNA．Impeller-diffuserinteractioninacentrifugalcompressor［J］．JournalofTurbomachinery，2000，122(4):777－786．［7］连杰，杨泳，武楚利．低速大尺度离心叶轮二次流动分析［J］．风机技术，2007(4):21－25．［8］张兄文，李国军，李军．离心泵蜗壳内部非定常流动的数值模拟［J］．农业机械学报，2006，37(6):63－68．［9］江征风，郑钧宜．基于Reynolds方程的磨削流体动压特性的研究［J］．润滑与密封，2007，10(