基于Fluent的低壓噴射器漸縮型噴射管數(shù)值模擬研究

張義 牛鵬宇 張金泉

摘 要：根據(jù)氣固兩相流動理論，對氣固兩相采用歐拉-拉格朗日方法和湍流模型，對低壓噴射器噴射管的管內(nèi)和管外流場進(jìn)行二維數(shù)值模擬研究。對噴射粉末采用顆粒軌道模型，考慮氣固兩相耦合作用。結(jié)果表明：顆粒的加入使氣體的速度產(chǎn)生驟降，隨后氣粉流速度趨于穩(wěn)定。但由于管體漸縮角的增大，圓管直徑越來越小，此時氣粉流速度逐漸增大，在噴射管出口處外的一小段距離上形成核心射流區(qū)，隨后，速度急劇衰減。

關(guān)鍵詞：低壓噴射器；噴射管；數(shù)值模擬

低壓噴射器是以風(fēng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生低壓氣動力達(dá)到噴射粉末為目的的裝置，噴射管管和管外的流動屬于氣固兩相流動，在動力源給定的前提下，噴射器以漸縮型噴射管為模型進(jìn)行二維數(shù)值模擬研究。

1 數(shù)值模型

1.1 連續(xù)相控制方程

1.1.1 連續(xù)方程

（1）

式（1）中，為氣體體積份額；為氣體密度；為向速度分量；為時間；、=1，2為坐標(biāo)方向。

1.1.2 動量方程

（2）

式（3—2）中， ；為向速度分量；為壓力；為粘性系數(shù)；為湍動粘度，；為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，為湍動能，為耗散率；為克羅內(nèi)克函數(shù)（當(dāng)時，；當(dāng)時，）；為向速度分量；是顆粒與流體間的相互作用力，它與流體的性質(zhì)、空隙率以及顆粒的相對速度有關(guān)，可表示為，式中為曳力系數(shù)，為固體顆粒速度，為氣體速度；為重力加 速度；、=1，2為坐標(biāo)方向。

1.1.3 方程

（3）

式（3）中，，

是固體顆粒產(chǎn)生相；為曳力系數(shù)；為瞬時速度脈動量；在稀相氣固兩相流模擬中再分布相不加考慮。

1.1.4 湍流動能耗散方程

（4）

式（3—4）中，這里為源常數(shù)項(xiàng)；為湍動能對應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；、為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；為平均速度梯度引起的紊

動動能產(chǎn)生項(xiàng)，。

1.2 顆粒運(yùn)動方程

（5）

（6）

式（5）中為顆粒位移；為顆粒的碰撞力；為流體對顆粒的總作用力；為壓力梯度；為固體單顆粒的體積，式（6）中為顆粒轉(zhuǎn)動的角速度；為顆粒受到的轉(zhuǎn)動合力矩；為顆粒的轉(zhuǎn)動慣量。

2 模型建立

2.1 物理模型

圖1 漸縮型噴射管尺寸標(biāo)注圖

氣流入口直徑、粉顆粒入口直徑、出口直徑為、管長。

2.2 Fluent前處理

圖2 漸縮型噴射管管內(nèi)、外流場示意圖

利用Fluent的前處理器Gambit軟件對漸縮型噴射管的管內(nèi)和管外流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的劃分采用四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格總數(shù)302390。

氣流入口和顆粒入口設(shè)置為速度入口，出口邊界設(shè)置為壓力出口。

圖3 漸縮型噴射管流場區(qū)域網(wǎng)格劃分

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 速度分析

（a）速度流場圖 （b）速度位移圖

圖4 漸縮型噴射管速度流場和速度位移圖

3.2 壓力分析

（a）全壓流場圖 （b）全壓位移圖

圖5漸縮型噴射管管內(nèi)和近口流場全壓力圖

（a）動壓流場圖 （b）動壓位移圖

圖6 漸縮型噴射管管內(nèi)和近口流場動壓力圖

（a）靜壓流場圖 （b）靜壓位移圖

圖7 漸縮型噴射管管內(nèi)和近口流場靜壓力圖

4 結(jié)語

顆粒的加入使氣體的速度產(chǎn)生驟降，隨后氣粉流速度趨于穩(wěn)定。顆粒的加入使管內(nèi)動壓增加，靜壓力減小，隨后趨于平衡，管內(nèi)全壓力整體下降。在噴射管出口處外的一小段距離上形成核心射流區(qū)，隨后氣粉流速度急劇衰減。流場動壓力的變化規(guī)律與氣粉流速度的變化規(guī)律相同，速度的變化可認(rèn)為是動壓力變化的直觀表現(xiàn)。

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