基于Fluent的靶式撞击流喷嘴流场模拟研究

图1
实际靶式撞击流喷嘴的结构和尺寸图
喷嘴外壳为金属制造， 内部的芯由陶瓷材料 喷嘴的前部有长度为 30 mm 的锥体， 后部 制造， 有长度为 5 mm 的小柱体， 距出口间距 δ 有一直 径为 40 mm 的 靶 板， 锥 体 入 口 直 径 D 均 为 14 mm， 5 mm、 6 mm。本文主要 出口直径 d 为 4 mm、 研究当喷嘴出口直径为 d 和喷嘴与靶板间距 δ 变 化时在不同压强 P 和流体速度下喷嘴出口内外 部流场变化规律。
博
（ 西安工程大学）
（ 陕西西安三棉纺织有限责任公司）
研究基于 Fluent 的靶式撞击流喷嘴流场数值模拟效果 。利用 Fluent 软件对靶式撞击流喷嘴内部
及出口外部流场进行了数值模拟研究， 通过模拟得出了喷嘴的结构尺寸（ 管径 d 和管道与靶的间距 δ ） 和压强 P （ 水流速度 υ） 对喷嘴雾化效果的影响 。结果表明： 靶式撞击流喷嘴结构尺寸和压强越大， 喷嘴的雾化效果越好。 认为其具有区别于一般离心喷嘴的优越性， 可以节约喷水量。
searched． Numerical simulation of target type impinging stream nozzle internal and export flow field was studied by Fluent software． Effect of nozzle structure size（ diameter d of exit nozzle and the distance between the target and pipe ） and pressure（ means the water velocity） on atomization can be got through simulation． The result shows that the atomization effect is better when increasing target type impinging stream nozzle structure size and pressure． It is considered that the nozzle superiority is obvious comparing to general centrifugal nozzle， water consumption can be saved． Key Words Target Type Impinging Stream Nozzle， Flow Field， Fluent Numerical Simulation， Pressure， Diameter
不同情况下的喷嘴轴线上的压强变化趋势见 10 可以看出其也大致相同。 起先随着 x / d 的 图 ， 增大而逐渐减小， 然后快到达喷口处时压强达到 随之又逐渐增大。 由图 10 可知： 当喷嘴结 最小， 构尺寸不变时， 喷嘴进口压强越大， 压强越大， 即 液滴的压强越大， 因而雾化效果就会越好； 当喷嘴 喷嘴的结构尺寸越大， 压强越 出口压强不变时， 小， 即由静压转为动压越大， 液滴喷出的速度越 快， 因而雾化效果越好。
了假设： 理想流体、 定常流动、 不可压缩； 控制方程 的离散采用有限体积法； 流场计算方法采用基于 非结构网格的 Simple 算法。 经计算流体流动为 湍流。靶式撞击流喷嘴射流流场关于轴线中心对 称， 所以可简化为二维简单射流模拟。 试验取笛 y） ， x 轴为对称轴。 选用 卡尔坐标系下坐标轴（ x， SpalarAllmaras 湍流模型， 其输运方程如下： ρ DV Dt = GV + 1 σv 槇
图 10
模型改进后喷嘴轴线上的压强分布
从图 7 （ a ） 和图 7 （ b ） 可以看出， 在喷嘴结构 尺寸相同时， 水流在锥形管中的速度分布趋势相 同， 喷水压强越大， 雾化效果越好。图 7 和图 8 也 说明了喷嘴孔径和间距越大， 速度分布区域范围 越大， 雾化效果越好。 3． 5 模型改进后喷嘴轴线上的流速和压强分布 不同情况下喷嘴轴线上的速度变化趋势见图 9， 可以看出其大致相同。 起先速度随着长径比 （ x / d） 的增大而逐渐增大， 然后快到达喷口处时 x / d = 5. 6 时或当 速度达到最大。即当 d = 6 mm，
图 9 模型改进后喷嘴轴线上的的流速分布 注： x 为线上的点至喷口的距离； d 为喷嘴出口直径。
d = 5 mm， x / d = 7 时最大， 随之又逐渐减小， 直至 趋近于零。由图 9 可知： 当喷嘴结构尺寸不变时， 喷嘴进口压强越大， 速度越大； 当喷嘴进口压强不 喷嘴结构尺寸越大， 速度越大， 因而喷射的 变时， 距离就会越大（ 雾化面积越大） ， 雾化效果越好。
柱短管时速度迅速增加， 从喷嘴出口喷射出的水 流撞击到靶板上， 水流扩散开后在两侧速度达到 最大； 然后在高速水流的带动下， 形成 180° 的片 状水膜向四周喷射， 从而将水雾化成雾滴。 水流
图2 初始模型网格图
在离开控制区域时仍有较大的动能， 所以单个靶 式撞击流喷嘴喷出水雾的覆盖面很大， 所需的喷 嘴密度较小。 3． 2 靶式撞击流喷嘴压力场分布特点 由计算出的 Re 可知水流在锥形管中的流动 属紊流流动， 管内湍流涡旋较大。 从图 4 可以看 水流从短管喷射出来， 直接打到靶板上， 在靶 出， 板中心点上湍流压强达到最大， 形成一个压强较 高的锥体界面。在界面之外， 两侧有紊流涡旋， 形 成负压区， 再到外侧压强迅速变成大气压力。 与
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好， 同时使用靶式撞击流喷嘴也会大大节省喷嘴 数量和水量； 基于以上对靶式撞击流喷嘴模拟研 认为其具有区别于一般离心喷嘴的优越性 ， 可 究， 并且减少维护管理的工作强度。 以节约喷水量， 参考文献：
注： x 为线上的点至喷口的距离； d 为喷嘴出口直径。
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喷嘴密度的计算
根据改进后模型的模拟结果可以看出： 靶式 喷嘴的喷射范围很大， 几乎超出了 500 mm 的直 径范围， 可以达到 600 mm。因而可以算出一个喷 嘴的喷射面积， 具体如下： 2 2 πd 3． 14 ×0． 6 = = 0． 28 （ m2 ） F= 4 4
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数值模拟结果及分析
利用 Fluent 软件， 采用有限体积方法进行控 制方程的离散， 并进行 Simple 算法计算。 在不同 的几何尺寸及工况条件下， 对靶式撞击流喷嘴出 口内 外 部 流 场 进 行 了 模 拟。 在 d = 5 mm， δ = 5 mm， P = 0. 20 MPa 的条件下， 速度场分布见图
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前面流速场分布对应看， 压强最大的区域流速接 近于零， 使压能迅速变为动能， 使水流能迅速扩展 到四周较大的区域。 3． 3 喷嘴工作压强和尺寸对流场压强的影响 通过比较图 5 可知， 在喷嘴孔径和间距一定 时， 水流在锥形管中的压强分布趋势类似 ， 说明结 构尺寸对喷嘴出口压强分布影响较大 。由图 5 和 图 6 可知， 喷嘴孔径和间距越大， 压强分布区域范 即雾化效果越好。 围越大， 3． 4 模型改进后喷嘴工作压强和结构尺寸对流 场速度分布的影响 为了进一步了解喷嘴喷水水流的拓展区域， 将物理模型的几何尺寸进行修改 。上下范围的总 直径由原来的 100 mm 变为 500 mm， 左右方向的 宽度由原来的 10 mm 变为 70 mm。 不同条件下， 流场速度分布见图 7 和图 8 。
喷水室是空气与水直接接触式热湿处理设 ， 备， 喷嘴是喷水室的“心脏 ” 在纺织企业空调中 起着重要的作用。 主要是把水喷成细小水滴， 增 大空气与水之间的接触面积， 从而增强热湿交换 作用。到目前为止， 我们对靶式撞击流喷嘴的研 究基本上都基于试验， 但试验研究需要做大量的 试验， 工作量很大， 周期长， 投资也大， 并且设备调 节、 环境变化等因素的误差也难于控制 ， 不容易实 现对单个因素做出分析； 同时试验数据都要经过 人工分析， 工作量也较大。针对这些问题， 本文提 出了在一定的试验基础上， 结合喷嘴的实际结构 ， Fluent 尺寸和物性等参数 利用 软件多次模拟， 同 时在理想条件下进行研究， 从而得到其影响因素。 我们将 Fluent 软件应用于靶式撞击流喷嘴内外部 流场模拟研究中， 研究了喷嘴的结构尺寸、 压强、
｛
v 槇 （ μ + ρ槇 v） + X j X j
[
]
C b2 ρ（
v 槇 ） X j
｝ －Y
v
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G V 是湍流黏性产生项； Y v 是由于黏性 其中， 阻尼引起的湍流黏性的减少量； σ v 槇 和 C b2 是常数； v 是运动黏性系数。 实际靶式撞击流喷嘴的结构和尺寸见图 1 。 3 ； 在 d = 4 mm， P = 0. 15 MPa 的条件下， δ = 3 mm， 压强场分布见图 4 。喷嘴工作压强和结构尺寸对 流场压强分布的影响见图 5 和图 6 。
基金项目： 陕西省教育厅自然科学专项项目（ 09JK465 ） 710048 作者简介： 张晓粉（ 1987－ ） ， 女， 在读硕士研究生， 西安， 1103 收稿日期： 2011-
流速等对靶式撞击流喷嘴内外部流场雾化效果的 影响， 并得出影响雾化效果的主要因素 。
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靶式撞击流喷嘴物理模型的确定
根据靶式撞击流喷嘴射流的结构特点， 进行
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可以得出， 约 3． 5 个喷嘴的喷射总面积即为 1m ， 所以可以说靶式喷嘴喷出的雾滴覆盖面积
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