旋流式噴射器數值研究

劉成剛

摘 要：本文針對噴射器的應用特性，對可調式噴射器進行了結構優(yōu)化，利用旋流摻混理論，在噴射器噴嘴出口處加裝旋流葉片，對不同高度、安裝個數及安裝角度的突片和旋流葉片進行了數值研究。

關鍵詞： 噴射器；旋轉射流；噴射系數

1.旋流噴射器的提出

在可調式噴射器基本結構基礎上改進噴嘴結構，在噴嘴出口處加裝旋流葉片，以形成旋轉射流，增強工作流體與引射流體摻混特性。主要針對不同旋流葉片個數、安裝角度和葉片高度進行優(yōu)化，以射流流速損失最小、噴射系數提高幅度最大為目標，尋求最優(yōu)的旋轉射流噴嘴結構。

2.旋流噴射器模型建立

簡化后噴射器結構尺寸如圖1。

以可調式噴射器為基礎模型，忽略旋流葉片厚度，選擇與噴嘴擴張段相等長度平面代替；葉片平均高度h分別選擇1、1.3、1.5、1.7、1.9、2.1、2.3mm；葉片安裝個數n分別選取4、6、8、10、12；葉片安裝角度α選取15°、20°、25°、30°、35°、40°；旋流式噴嘴整體結構如圖2。

3.網格劃分與參數設定

本文以分步處理的方式進行網格劃分。對結構較規(guī)則的高、低壓流體入口部分，混合室及擴壓室部分采用結構的六面體網格；對結構較復雜噴嘴部分及吸收室部分采用以非結構化四面體網格為主，六面體網格為輔的方式劃分。最后整合，經網格無關性驗證后，原模型網格數為1589135，各突片型噴射器總網格數約160萬左右。

噴射器工作介質為可壓縮高速流體，采用基于壓力-速度的耦合隱式解法。采用標準k?ε模型，考慮傳熱，操作環(huán)境設置為大氣環(huán)境并忽略重力影響。只考慮固體壁面的信息；噴射器工作流體進口、引射流體進口設置為壓力入口，混合流體出口設為壓力出口；噴射器所有壁面均設成無滑移絕熱壁面。綜合考慮收斂性與精度的影響，采用二階迎風格對連續(xù)方程和動量方程進行離散，采用一階迎風格式對k?ε方程進行離散；采用SIMPLE算法進行求解，以求精確的計算結果和較好的收斂性。當各個參數計算誤差小于10-4，進、出口截面總壓大小均不隨時間變化而改變時，即認為達到穩(wěn)定狀態(tài)，視迭代計算已收斂。

4.數值模擬結果分析

本文選擇旋流葉片安裝角度α分別為15°、20°、25°、30°、35°、40°；安裝個數n分別為4、6、8、10、12，共30個工況，進行數值研究，葉片高度仍選取主噴管直徑1/10（h=1.5mm）。數值模擬得出：不同葉片數安裝角度對噴射系數影響如圖3，不同葉片安裝個數對噴射系數影響如圖4。

圖3中安裝角度不同，噴射系數變化規(guī)律基本相同，均成單駝峰趨勢增長；且葉片安裝個數n=4、n=6工況變化趨勢較為明顯，當葉片個數上升至8、10、12時噴射系數隨安裝角度變化較為平緩；5個工況中除葉片個數n=6工況外，其余四條曲線峰值均出現在35°，n=6工況峰值出現在25°。圖4中安裝角度相同的6條曲線，噴射系數均隨著葉片安裝個數增加而減小；其中安裝角度越大，噴射系數變化趨勢越明顯。總體來看，當葉片安裝個數n=4噴射系數最大，葉片個數n=12噴射系數最小；且安裝角度α<25°的兩條曲線變化平緩，當安裝角度α≥25°之后，噴射系數隨葉片個數增加而降低明顯，主要變化區(qū)域集中在n=6～8之間。

文章以葉片安裝個數n=4，安裝角度α=30°工況為例對旋流葉片高度對旋流強度影響進行數值研究。工作流體、引射流體參數保持不變；葉片平均高度h分別選取1、1.3、1.5、1.7、1.9、2.1、2.3mm等7個工況研究。

結果表明：隨著旋轉葉片平均高度的增加，噴射系數呈單駝峰趨勢變化，峰值出現在葉片平均高度為1.3～1.5mm之間。噴射系數與旋轉葉片平均高度之間關系擬合曲線如圖5。圖5中當葉片平均高度從1mm變化到2.3mm時，噴射系數從0.68先升高至0.715后降低至0.57，當葉片平均高度為1.3mm時，噴射系數達到最高值0.715，擬合曲線峰值出現在1.3～1.5mm之間。旋流葉片高度選擇噴嘴出口直徑的十分之一左右較為合理。

5.結論

旋流葉片的傾斜角度、平均高度、安裝個數均對噴射器噴射性能有影響，經過本次數值研究：葉片高度為噴嘴出口直徑的1/10較為合理；旋流葉片高度一定時，噴射系數隨安裝角度變化幅度較大，隨葉片安裝個數變化幅度較小；在相同參數工況下，旋流葉片最佳安裝角度在25～35°之間，最佳安裝個數在4～6之間。