Laval 噴管喉部結構對冷噴涂氣固兩相流速度的影響

朱紅波

（河南工業和信息化職業學院，河南 焦作 454000）

1 噴管的物理模型及邊界條件設置

1.1 噴管的物理模型

Laval噴管是由圓形截面的收斂段和擴張段組成，入口直徑、喉部直徑和出口直徑分別為10 mm、2 mm和4 mm，收斂段和擴張段長度分別為30 mm和40 mm，如圖1所示。

圖1 Laval 噴管幾何形狀及尺寸

對噴管進行流場分析，首先要設定初始條件。實際情況下，噴管中的流動是非等熵的可壓縮流動，是一個很復雜的現象[1]。因此，為將問題簡化，通常將噴管內的流動看作是一維定常等熵流動，并作如下假設[2]：

1）管內氣流和外界沒有熱量和功的交換。

2）不計管壁與氣體之間的摩擦作用。

3）沒有質量的加入或引入。

4）流動是一維定常的。

5）所討論的氣體為定比熱、可壓縮的理想氣體，并且是黏性流動。

1.2 邊界條件設置

本研究所用到的邊界條件包括進口邊界條件（pressure inlet）、出口邊界條件（pressure outlet）、壁面邊界條件（wall）和對稱邊界條件（symmetry）4種，下面分別敘述這4種邊界條件的處理方法[3-4]：

1）噴管進口邊界條件。采用壓力入口邊界條件，并設定了總溫。入口總壓為33.67 atm，總溫為600 K。

2）噴管出口邊界條件。采用壓力出口邊界條件，出口壓力設定為1 atm（即一個大氣壓）。

3）噴管壁面邊界條件。壁面邊界條件用于限制流體和固體區域，Laval 噴管壁面的實際結構比較復雜，在數值模擬中不考慮其他影響，所以壁面邊界條件給定了無滲透、無滑移、絕熱邊界條件。

4）噴管對稱邊界條件。由于噴管是關于軸對稱的，所以采用軸對稱邊界條件以減少計算域中的網格數，提高計算速度。本研究采用的是軸對稱邊界條件（Axisymmetric）。

具體各邊界條件的設置如圖2所示。

圖2 噴管計算區域和邊界條件

2 流場模擬

2.1 普通Laval噴管的氣固兩相流模擬

利用Fluent 流體力學軟件對所設計的噴管進行數值模擬。先在Gambit 軟件中采用結構化網格技術對Laval 噴管進行網格劃分，網格數最終為11 200 個。將建好的網格導入Fluent中求解，網格模型如圖2所示。本設計采用的加速氣體為可壓縮理想氣體，所以采用耦合顯示求解器，湍流模式選用標準的模型，采用Simple算法求解[5]。固體顆粒選用直徑為1 的銅顆粒，采用離散相模型進行求解。一般認為，噴管出口處的氣體速度和顆粒速度越大，氣流越穩定，噴管越好[6-7]，所以，本研究只取仿真結果中的氣體速度和顆粒速度分析說明。

從圖3和圖4仿真分析結果可以看出，在上述給定的初始條件下，普通Laval噴管出口處的氣體速度為744.613 m/s，銅顆粒的速度為710.053 m/s。

圖3 噴管氣相速度分布云圖（a）和軸向速度變化圖（b）

圖4 銅顆粒的軸向速度曲線圖

2.2 圓弧過渡的Laval噴管氣固兩相流模擬

將噴管喉部改為圓弧過渡，其喉部位置和喉部直徑均不變，如圖5所示。

圖5 喉部采用圓弧過渡的Laval 噴管

圓弧過渡最重要的參數之一就是圓弧半徑。對不同喉部半徑的噴管物理模型采用上述同樣的方法進行網格劃分，分別運用Fluent軟件進行仿真分析，得出改進后的噴管內氣相速度云圖和軸線速度曲線圖。對結果進行比較，發現隨喉部半徑的增加，噴管內氣體的出口速度緩慢增加，當半徑增至100 mm，速度達到最大為750.978 m/s，半徑增至110 mm時氣體速度又逐漸減小。圖6和圖7是喉部半徑為100 mm時噴管內氣體的速度云圖、軸線速度曲線圖以及銅顆粒的軸向速度曲線圖。

圖6 噴管氣相速度分布云圖（a）和軸向速度變化圖（b）

圖7 銅顆粒的軸向速度曲線圖

從圖6 和圖7 仿真結果分析可知，喉部采用圓弧過渡的Laval 噴管在同樣的初始條件下，出口處的氣體速度為750.978 m/s，銅顆粒的速度為716.463 m/s。

3 結論

從仿真結果可以看出，Laval 噴管喉部采用圓弧過渡之后，噴管出口處氣體速度增加6.374 m/s，銅顆粒速度增加6.41 m/s。分析可知，采用圓弧過渡喉部結構減少了高速氣流在流經喉部的局部阻力損失，使氣固兩相流在噴管出口處的速度有所增加，但是由于噴管本身結構尺寸較小，且兩種喉部結構相近，所以速度增幅很有限。