实心锥喷嘴干涉的数值模拟
圆锥形喷管的脉冲激光推进能量相似律数值模拟
圆锥形喷管的脉冲激光推进能量相似律数值模拟
曹正蕊;洪延姬;李倩;黄辉
【期刊名称】《强激光与粒子束》
【年(卷),期】2011(23)2
【摘要】为了验证理论分析得到的圆锥形喷管在单脉冲条件下的激光推进能量相似律,用2维轴对称辐射流体动力学方法,计算得到了不同构形的推进性能参数,分析了锥角、长度、无量纲因子、入射激光能量对冲量、冲量耦合系数的影响.计算揭示的激光推进能量相似律合理,在理论模型可以描述的范围内,其定性规律与理论分析、实验结果之间相互印证.结果表明:当锥角固定时,冲量和冲量耦合系数随无量纲因子先增大后减小,极大值对应的无量纲因子仅与气体比热比相关;当无量纲因子固定时,冲量随入射激光能量增加而增大,冲量耦合系数受激光能量的影响很小,冲量和冲量耦合系数均随锥角增大而单调减小.
【总页数】5页(P358-362)
【作者】曹正蕊;洪延姬;李倩;黄辉
【作者单位】装备指挥技术学院,基础部,北京,101416;中国人民解放军63999部队,北京,100094;装备指挥技术学院,基础部,北京,101416;装备指挥技术学院,基础部,北京,101416;装备指挥技术学院,基础部,北京,101416
【正文语种】中文
【中图分类】V249
【相关文献】
1.单层网壳冲击动态响应相似律与数值模拟验证 [J], 姜正荣;钟渝楷;石开荣
2.聚能射流侵彻钢板相似律数值模拟研究 [J], 李斌;孙建兵;许洁
3.扩张喷管与收缩喷管中空化现象的数值模拟 [J], 邹振宇;刘晶
4.大气模式下多脉冲激光推进的数值模拟 [J], 许仁萍;唐志平
5.缩放喷管内两相流动的数值模拟及喷管设计 [J], 吕泽华;曹仁风
因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
基于Fluent的高压喷嘴射流的数值模拟_周章根
作者简介:周章根(1984— ),男,西南科技大学硕士研究生,研究方向为高压水射流。
基于F l u e n t 的高压喷嘴射流的数值模拟周章根,马德毅(西南科技大学制造科学与工程学院,四川绵阳621010)摘 要:研究收缩型喷嘴在初始压力为100M P a ,出口直径为1m m 的情况下喷嘴流场的速度、压力、湍动能等物理量的分布规律。
选择不可压R e y n o l d s 方程作为动量方程,利用F l u e n t 的S I M P L E C 算法进行求解,对收缩型喷嘴射流进行数值模拟。
结果表明:流体速度在喷嘴收缩段迅速增加,在离开喷嘴后出现等速流核区;流体动压在喷嘴收缩段增长快速,在等速流核区保持不变;仿真结果与理论推导相符合。
关键词:F l u e n t ;喷嘴射流;R e y n o l d s 方程;数值模拟中图分类号:T H 12;T P 6 文献标志码:A 文章编号:1671-5276(2010)01-0061-02N u m e r i c a l S i m u l a t i o n o f H i g h -p r e s s u r e J e t N o z z l e B a s e d o nF l u e n tZ H O UZ h a n g -g e n ,M AD e -y i(C o l l e g eo f M a n u f a c t u r i n ga n dE n g i n e e r i n g ,S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ,M i a n y a n g 621010,C h i n a )A b s t r a c t :T h i sp a p e r n u me r i c a l l y s t u d i e st h ed i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t i e s o f t h ep h y s i c a l q u a n t i t y o f v e l o c i t y ,p r e s s u r e ,r a p i dk i n e t i ce n e r g ya n ds o o n ,i n t h e f l o w -f i e l do f t h ec o n t r a c t i v e n o z z l e ,w h e n t h e i n i t i a l p r e s s u r e i s p =100M P a a n d t h e o u t l e t o u t s i d e d i a m e t e r i s 1mm .T h ei n c o mp r e s s ib l eR e y n o l d se q u a t i o ni s t o s e l ec t e da st h em o m e n t u m e q u a t i o na n dt h ea l g o r i t h m o f S I M P L E Co f F l u e n t i s u s e dt o s i m u l a t et h ei n j e c t i o ns t r e a m.T h er e s u l t ss h o w t h a t t h ej e t v e l o c i t yi n c r e a s e sq u i c k l yi nt h ec o n t r a c t i v es e c t i o no f n o z z l ea n dac o r e s e c t i o no f e q u a l v e l o c i t yi s f o r me da f t e r t h e j e tde p a r t sf r o mt h e n o z z l ea n dt h ed y n a m i c p r e s s u r e o f j e tg o e s u p r a p i d l y i n th e c o n t r a c -ti v es e c t i o no f n o z z l e ,w h i l ei s s t a b l ei nt h ec o r es e c t i o n .T h es i mu l a t i o nc o n f o r ms t ot h e o r e t i c a l a n a l y s i s .K e yw o r d s :f l u e n t ;i n j e c t i o ns t r e a m ;r e y n o l d s -a v e r a g e dn a v i e r -s t o k e se q u a t i o n ;n u me r i c a l s i mu l a t i o n0 引言F L U E N T 是用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用C F D 软件,它提供了κ-ε紊流模型等多种紊流模型,可根据具体的情况进行选择。
锥直喷嘴淹没磨料射流场的数值模拟
中图分类号 : 28 TE 4
0 引 言
2 0世 纪 8 0年代 以来 , 料 射流 得 到迅 速发 展 , 磨 磨料 射 流是 将一 定数 目的 固体 颗 粒 ( 料 ) 为 添加 到 磨 人 高速 射流 中形 成 的一 种液 固两 相 射流 .由于在 高 速 流 动 的水 中混 入 一定 数 量 的磨 料 粒 子 , 高压 水 的动 能
大
庆
石
油
学
院
学
报
第3 5卷
Vo1 3 . 5
第 1期
NO 1 .
21 0 1年 2月
Fe . b 2 O11
J OURNAI OF DAQI NG PETROlEU M NS TU TE I TI
锥 直 喷 嘴 淹 没 磨 料 射 流 场 的 数 值 模 拟
2 数 值 模 拟 分 析
磨 料 与 水 在 喷 嘴 内 和 射 流 冲 击 区 域 内 作 湍 流 流 动 ,采 用 是 湍 流 模 型 ,磨 料 颗 粒 与 水 的 耦 合 作 用 采 一e
收 稿 日期 : 0 0—0 21 5—2 ; 稿 人 : 树 人 ; 辑 : 开 澄 4审 杨 编 关 作 者简 介 : 常斌 ( 9 4 ) 男 , 士 , 授 , 要 从 事 石 油 工 程 和计 算 流体 力 学方 面 的研 究 王 16一 , 博 教 主
王 常斌 ,沈 艳 霞 ,刘 照 东 ,赵 月 ,朱 云 伟
(东 北 石 油 大 学 石 油 工 程 学 院 , 龙 江 大 庆 1 3 1 黑 6 3 8)
水刺加固喷嘴高速喷射流场的数值模拟及验证
研究与开发合成纤维工业,2023,46(6):20CHINA㊀SYNTHETIC㊀FIBER㊀INDUSTRY㊀㊀收稿日期:2023-01-15;修改稿收到日期:2023-08-12㊂作者简介:赵博(1966 ),男,副教授,博士(后),研究方向是新材料㊁新技术和新工艺等㊂E-mail:zhaobohenan@㊂基金项目:河南省自然科学基金资助项目 面上项目(162300410343);河南省高等学校重点科研项目(16A540009)㊂水刺加固喷嘴高速喷射流场的数值模拟及验证赵㊀博(中原工学院,河南郑州450007)摘㊀要:以水刺加固喷嘴高速射流对聚合物纤维进行水力缠结加固成形的过程为研究对象,通过建立水刺加固喷嘴喷射流场理论模型,经过数值模拟研究了4个不同水刺加固喷嘴高压喷射流场的运动特征,并与粒子图像测速仪系统测试的结果进行了对比㊂结果表明:采用Realizable k-ε湍流模型描述水刺工艺水腔内喷嘴的喷射流场正确,建立的数值模拟计算求解方法有效,与实验测试值十分吻合;适当增大喷嘴喷口的高度,可使流体在喷嘴喷口轴向方向的速度增大;适当增大射流初始段的长度,可使流体的流量和压力增大,提高水刺非织造纤维网缠结效果;随着射流过渡段长度的增大,混合段(即过渡段和充分发展段)出口压力增大,喷射流体的速度增大,纤维网所受到的冲击力增大;适当减小喷嘴过渡段高度,混合段出口处压力增大,可以实现较大范围内喷射流体速度的增大,改善水刺非织造纤维网缠结效果㊂关键词:水刺非织造布㊀喷嘴㊀流场模拟㊀验证中图分类号:TQ340.1+5㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1001-0041(2023)06-0020-05㊀㊀水刺非织造工艺又称为射流喷网或水力缠结工艺,是一种非织造布加工技术,近年来发展较快[1-2]㊂水刺加固喷嘴作为水刺非织造布工艺的核心组件,其作用是将高能量水流转换成高速㊁微细㊁集束水针作用于纤维网,实现纤维网的缠结加固[3],因此,对水刺加固喷嘴高速喷射流场进行研究,揭示水刺加固喷嘴高速喷射水流对聚合物纤维的水力缠结加固机理非常有必要㊂速度是水刺加固喷嘴高速喷射流场最重要的特征参数之一,其测量除了包括某一点的速度大小和方向,还包括局部或整个流场的速度分布,因此,准确获取流场的速度场难度较大,测量仪器不仅需要较高的准确度㊁精确度,而且还要具有很好的响应特性[4]㊂流场模拟是研究流体运动规律及进行流体设备设计的一项非常关键的技术手段[5-6],可以对流场内部的压力分布㊁速度变化㊁温度场及流体之间的相互作用等情况进行数值计算,且无需进行实际的物理试验,目前已广泛应用于化工化纤㊁航空航天㊁汽车㊁船舶㊁风力发电等许多领域,已经成为现代流体工程研究不可或缺的工具㊂作者以水刺加固喷嘴高速射流对聚合物纤维进行水力缠结加固成形的过程为研究对象,通过建立水刺加固喷嘴喷射流场理论模型,经过数值模拟和实验测试等,研究了流体在水刺加固喷嘴高压射流场作用下的运动特征㊂1 水刺非织造布工艺原理水刺法是利用水刺加固喷嘴高速射流对纤维进行水力缠结加固的一种非织造加工技术,水刺工艺流程见图1㊂图1㊀水刺工艺流程示意Fig.1㊀Schematic diagram of spunlace process1 动态水腔;2 均流腔;3 密封腔;4 喷水板;5 纤维网;6 输网帘;7 滚筒;8 密封装置;9 真空吸水箱㊀㊀纤网经由托网帘进入到水刺区后,高压水流形成连续的 水针 ,水针呈圆柱状,经水刺头㊁水针板垂直的射向纤网;在这个过程中,纤维从表面被水针带入网底,并形成缠结;水针穿透后形成不同方向的反射,使得纤网受到不同方向水针的穿射,因此,纤网在整个水刺的过程中受到正反面水柱的双重作用,形成方向不同的缠结,这种缠结是无规则的,达到了加固的作用,从而形成水刺非织造布[7]㊂由于水刺非织造布设备高压水腔内部喷嘴的水流具有较高的压力,通常在3~60MPa,并且流动区域呈不规则形状,因此,水腔内喷嘴的流场流动明显为湍流流动㊂2㊀水刺加固喷嘴喷射流场模型水刺加固喷嘴喷射流场理论模型由控制方程(连续方程㊁动量方程㊁能量方程)㊁输运方程及边界条件组成[8]㊂2.1㊀控制方程根据水刺加固喷嘴三维喷射流场的特点,当考虑瞬态项时,连续方程见式(1),x方向的动量方程见式(2)㊁y方向的动量方程见式(3),能量方程见式(4)㊂∂ρ∂t+∂(ρu)∂x+∂(ρv)∂y=0(1)∂(ρu)∂t+∂(ρuu)∂x+∂(ρuv)∂y=2∂∂x(μ+μt)∂u∂x+∂∂y(μ+μt)∂u∂y+∂v∂x()-∂p∂x+S u(2)∂(ρu)∂t+∂(ρvu)∂x+∂(ρvv)∂y=∂∂x(μ+μt)∂u∂y+∂v∂x()+ 2∂∂y(μ+μt)∂v∂y-∂p∂y+S v(3)∂(ρT)∂t+∂(ρuT)∂x+∂(ρvT)∂y=∂∂xμ+μtσt()∂T∂xéëêùûú+∂∂yμ+μtσt()∂T∂yéëêùûú(4)式中:ρ为流体密度,t为时间点,u为x方向的流动速度,v为y方向的流动速度,T为温度,μ为动力黏度,μt为湍流黏性系数,σt是t的湍流普朗特数,S u㊁S v是广义源项㊂当考虑稳态项时,由于水刺加固喷嘴喷射流场的流体为室温条件下不可压缩和稳态的湍流流动状态,所以去掉式(1)㊁式(2)㊁式(3)㊁式(4)的首项即是考虑稳态项时相应的连续方程㊁x方向的动量方程㊁y方向的动量方程㊁能量方程㊂2.2㊀湍流模型由于水刺加固喷嘴的喷口喷射出的水流速度比较高,流体的雷诺数较高,故水刺非织造水腔内的喷嘴在喷射过程中高速水流的流动特征属于湍流状态,所以还需遵守湍流输运方程㊂k-ε模型是工业流动计算中应用最为广泛的湍流模型,包括标准k-ε模型㊁RNG k-ε模型㊁Realizable k-ε模型三种形式[9-10]㊂标准k-ε模型是应用范围最广的模型,其优点是只需提供初始条件和边界条件,模型比较完善,缺点是在一些重要场合表现较差,如无约束流㊁大应变流㊁旋转流等㊂RNG k-ε模型通过修正湍动黏度,考虑了平均流动中的旋转和旋转流动情况,主要用于描述高应变率和流线弯曲程度较大的复杂湍流运动㊂Realizable k-ε模型引入了与旋转和曲率有关的内容,主要用于描述包括旋转均匀剪切流㊁边界层流动和分离流㊁二次流等复杂湍流运动㊂考虑到水刺非织造布高速喷射流场是黏性流体的定常运动,存在边界层流动,故采用Realiza-ble k-ε模型描述湍流运动㊂当考虑瞬态项时,引用封闭方程,输运方程相关的湍流动能(k)方程和湍流耗散率(ε)方程见式(5)㊁式(6)㊂∂(ρk)∂t+∂∂x i(ρku j)=∂∂x i[(μ+μtσk)∂k∂xj]+G k-ρε-Y M(5)∂(ρε)∂t+∂∂x i(ρεu j)=∂∂x i[(μ+μtσε)∂ε∂xj]+ρC1Sε-ρC2ε2k+νε(6)式中:μj为黏性系数分量,σk和σε分别为k和ε的湍流普朗特数,x i㊁x j为各坐标分量,G k是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项,G b是由于浮力引起的湍动能k的产生项,Y M代表可压湍动中脉动扩张的贡献,S为广义源项,C1取max[0.43,η/(η+5)],η为Sk/ε,C2取1.9,σk取1.0,σε取1.2㊂当考虑稳态项时,由于水刺加固喷嘴喷射流场的流体为室温条件下不可压缩和稳态的湍流流动状态,所以去掉式(5)㊁式(6)的首项即是考虑稳态项时相应的k方程和ε方程㊂2.3㊀边界条件水刺加固喷嘴的几何形状示意如图2所示㊂一般来说,沿着喷嘴的高速射流方向,喷嘴的射流长度包括三段:a是射流的初始段(收缩段)喷口12第6期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀赵㊀博.水刺加固喷嘴高速喷射流场的数值模拟及验证长度,b 是射流的过渡段(稳定段)长度,c 是射流的充分发展段(渐扩段)长度㊂(h 1-h 2)为水刺加固喷嘴过流段的高度之差,e 为水刺加固喷嘴喷口的宽度,f 为水刺加固喷嘴喷口的高度㊂在初始段内,较大的截面逐渐过渡到较小的截面,射流轴线上的速度仍然保持射流的平均速度,当喷嘴断面面积很小时,认为该断面上的射流速度大小处处相同,方向一致,即仅存在沿着射流的轴向方向的速度分量;在紧邻初始段的过渡段存在着射流流束段,射流速度剖面形状沿轴向存在着明显的变化;在射流的充分发展段,该段流道的截面迅速扩大,使流道内流体得到快速扩散,速度剖面形状符合射流自相似规律㊂图2㊀水刺加固喷嘴的几何形状示意Fig.2㊀Geometric diagram of nozzle for spunlacing process㊀㊀水刺非织造水腔内的喷嘴喷射过程中,高速射流从长宽比值很大的喷嘴中喷射出来后形成平面湍流射流,所以水刺非织造水腔内的喷嘴所产生的射流沿着喷嘴的中心线是对称的,上游断面取在喷嘴入口的前缘,下游断面取在离喷嘴的喷口前缘之处,射流的外渗入边界取在离喷嘴中心线的足够远处㊂因此,水刺非织造水腔内的喷嘴相应的边界条件为:在进口边界上,u ,v 和T 随着y 的分布给定;在固体壁面上,u 为0,v 为0,T 为壁面温度;在对称线上,在垂直边界上的速度均为0,见式(7),其他物理量的值在该边界内外相等;在出口边界上,所有变量(压力除外)在流动方向上无梯度变化,见式(8)㊂∂u ∂y =0,∂T∂y =0,v =0(7) u x = v x = k x = ε x = T x=0(8)3㊀水刺加固喷嘴喷射流场模型数值模拟在流场数值模拟计算过程中,采用常规的数值方法直接求解控制方程,会出现不少问题和困难,为了解决这个问题,引入了SIMPLE 算法,主要包括基于交错网格和基于同位网格的算法,该算法不必为速度和压力构建不同的控制体积,编程时十分简单,适合于复杂问题的计算㊂在不考虑聚合物纤维对水刺加固喷嘴高压喷射流场影响的条件下,以水刺加固喷嘴高速喷射水流的速度为进口的边界条件,出口边界条件为自由出流,壁面采用无滑移条件,采用基于交错网格的SIMPLE 算法,通过Fluent 6.0流体力学软件对4个水刺加固喷嘴的喷射流场(不考虑瞬态)进行了数值模拟计算㊂4个水刺加固喷嘴的主要设计参数见表1(设计参数按实际应用水刺喷嘴相应的尺寸放大4倍),流体初始速度10m /s,流体初始温度为室温㊂表1㊀水刺加固喷嘴的主要设计参数Tab.1㊀Main design parameters of nozzles forspunlacing process喷嘴a /cm b /cm c /cm e /cm f /cm (h 1-h 2)/cm 1#20224624.018.0 6.0-2.02#16225020.016.08.0-2.03#20442416.014.08.0-8.04#24402412.012.08.0-2.6㊀㊀根据数值模拟结果绘出的喷射流场相应的速度分布场见图3㊂从图3可以看出:流体从水刺加固喷嘴的喷孔喷出后,形成一股平面湍流射流,这股射流在水刺加固喷嘴的轴线方向上都保持着较高的射流喷射速度(以高速微细水针的形式),并沿着水刺加固喷嘴的水平轴向方向有规律的平行分布;f 增大,混合段(即过渡段和充分发展段,该段也称为射流主段)出口的压强增大,在喷嘴轴向方向的速度增大,可使水刺加固喷嘴喷射出的流体以高速水针的形式冲击纤维网,确保纤维在高速水针的冲击作用下相互缠结,从而使松散的纤维网成为具有一定力学性能的水刺非织造布,但f 过大,会使喷射流体的功率增大,导致水刺加固喷嘴喷射的流体消耗量增加,而f 过小,不仅喷嘴加工的难度会增大,而且进入喷嘴流道的流体流量和能量也会降低,导致水刺非织造纤维网缠结效果不良,影响水刺布的力学性能;适当增大a ,喷嘴中的流体流量增加,喷嘴喷口的压力增大,喷射射流的速度加快,这对提高水刺非织造纤维网缠结效果十分有利;b 增大,混合段出口处的压强增大,纤维网受到的冲击力增大,有利于提高水刺非织造纤维网缠结效果,但b 过大,喷嘴中的流体摩擦阻力增大,喷射流体速度降低,会使纤维22㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2023年第46卷网受到的冲击力减小,不利于提高纤维网的纤维缠结效果,而b 过小,纤维网受到的冲击力则变小;适当减小(h 1-h 2),虽然喷嘴的喷射流场能够保持较高速度的区域要比(h 1-h 2)大的喷嘴小一些,但是在喷嘴喷孔的轴线方向的相同位置上却具有比较大的喷射速度,这有利于提高水刺非织造纤维网缠结效果㊂图3㊀不同水刺加固喷嘴喷射流场的速度分布场Fig.3㊀Velocity distribution field of jet flow fieldof nozzles for spunlacing process4 水刺加固喷嘴喷射流场模型的验证为了验证数值模拟求解结果的有效性和准确性等,采用丹麦Dantec 公司的PIV-2100型粒子图像测速仪对4个喷嘴(由于采用快速直接成型和快速成模拟加工实验用水刺加固喷嘴的技术和条件不具备,水刺加固喷嘴采用透明有机玻璃制造而成)所形成的喷射流场进行了测试㊂空气从风机出来,并由调频仪器控制,以达到所需要气流的速度,然后进入水刺加固喷嘴㊂对于每一个水刺加固喷嘴,通过调频仪器控制空气的流量,使气流初始速度达到所需要的值,流体初始速度10m /s,初始温度保持室温㊂风机的风量为1200~3000m 3/h,风压为400~420mm 水柱,风机转速为2800~3200r /min㊂油烟粒子由烟雾发生器控制,粒子直径小于5μm [11]㊂粒子图像测速仪测试结果及其理论模型数值模拟结果见图4㊂图4㊀不同水刺加固喷嘴x 方向喷射速度沿对称线分布的实测值与计算值Fig.4㊀Measured and calculated values of x-direction jet velocitydistribution of spunlacing nozzles along symmetrical lineʏ 实测值;Ә 计算值32第6期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀赵㊀博.水刺加固喷嘴高速喷射流场的数值模拟及验证㊀㊀从图4可以看出,水刺加固喷嘴高速喷射流场中的速度数值模拟计算值与实验测试值十分吻合,这说明了采用建立的Realizable k-ε湍流模型去描述水腔内喷嘴的喷射流场正确,建立的数值模拟计算求解方法也有效㊂5㊀结论a.采用Realizable k-ε湍流模型描述水刺非织造水腔内喷嘴的喷射流场正确,建立的数值模拟计算求解方法有效,与实验测试值十分吻合㊂b.适当增大f,可使流体在喷嘴喷口轴向方向的速度增大,在水刺加固喷嘴喷口中心线两侧的分布梯度也增大,这对提高水刺非织造纤维网缠结效果十分有利;适当增大a,可以使流体的流量和压力增大,提高水刺非织造纤维网缠结效果;随着b的增大,混合段出口压力增大,喷射流体的速度增大,纤维网所受到的冲击力增大;适当减小(h1-h2),混合段出口处压力增大,可以实现较大范围内喷射流体速度的增大,使纤维网所受到的冲击力增大,改善水刺非织造纤维网缠结效果㊂参㊀考㊀文㊀献[1]㊀郝景标,王勇.水刺工艺对非织造布产品性能的影响[J].化纤与纺织技术,2022,51(8):22-25,87.[2]㊀安琪,李朝威,杨立双,等.水刺非织造医用绷带基布的性能研究[J].产业用纺织品,2022,40(5):18-22,28. [3]㊀赵博.水刺法非织造布生产中纤网射流喷嘴对射流性能的影响[J].非织造布,2006(6):18-21.[4]㊀马建鑫,陈永当,程云飞,等.喷孔锥度对喷气织机环槽型辅助喷嘴性能的影响[J].轻工机械,2023,41(2):42-47. [5]㊀高召涛.超临界二氧化碳喷染实验及流场模拟研究[D].济南:山东大学,2022.[6]㊀刘薇娜,刘亮,王国庆.空气净化器的流场模拟与模型优化[J].机械设计与制造,2023(7):177-181.[7]㊀赵博.水刺非织造布纤维缠结效果的影响因素及评价方法[J].合成纤维工业,2021,44(5):47-50.[8]㊀赵博.纺黏非织造牵伸器喷射流场理论模型的建立[J].聚酯工业,2009,22(5):5-9.[9]㊀王向钦.水刺高压水腔流场分布及其对非织造材料性能和工程能耗影响的研究[D].上海:东华大学,2013. [10]韩万里,谢胜,王新厚,等.熔喷气流场中的纤维运动模拟与分析[J].纺织学报,2023,44(1):93-99.[11]赵博.测速仪在熔喷和纺黏流场中的应用[J].聚酯工业,2009,22(4):11-14.Numerical simulation and verification of high-speed jet flowfield of nozzles for spunlacing processZHAO Bo(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou450007)Abstract:Taking the hydroentanglement and reinforcement process of polymer fibers by high-speed jet of spunlacing nozzle as the research object,the motion characteristics of high-pressure jet flow field of four types of spunlacing nozzles were studied by numerical simulation based on the established jet flow field theoretical model of spunlacing nozzle and were compared with the test results of particle image velocimeter system.The results showed that the Realizable k-εturbulence model correctly described the jet flow field of the nozzle in the water chamber of spunlacing process and the established numerical simulation calculation method was effective and provided the values in good agreement with the experimental test values;the axial velocity of the fluid at nozzle ejector could be increased by appropriately increasing the height of the nozzle ejector;the flow rate and pressure of the fluid could be increased and the entanglement effect of spunlaced nonwoven fiber network could be improved by appropriately increasing the initial section length of the jet;the outlet pressure of the mixing section(i.e.transition section and fully developed section)in-creased,the jet fluid velocity increased,and the impact force on the fiber network increased with the increase of the length of the jet transition section;and the jet fluid velocity could be increased in a large range and the entanglement effect of the spunlaced nonwoven fiber network could be improved by appropriately reducing the height of the nozzle transition section and increasing the outlet pressure of the mixing section.Key words:spunlaced non-woven fabric;nozzle;flow field simulation;verification42㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2023年第46卷。
喷油嘴喷孔流道磨料流光整特性仿真与试验
喷油嘴喷孔流道磨料流光整特性仿真与试验*李孟楠1,2, 董志国1,2, 郑志鑫1,2, 王 硕1,2(1. 太原理工大学 机械与运载工程学院, 太原 030024)(2. 精密加工山西省重点实验室, 太原 030024)摘要 喷油嘴喷孔流道入口有一定入口倒角和喷孔锥度,能通过提高喷油嘴的燃油雾化效果来进一步提高发动机的效率。
通过软性流体磨料对喷孔流道进行加工,使喷孔流道入口有一定的入口倒角和喷孔锥度。
结果表明:在5 MPa 、8 MPa 的入口压力下,使用平均粒径为5 μm 、质量分数为25%的软性磨料加工800 s 后,测得喷孔入口倒角曲率半径分别为0.018 mm 和0.010 mm ,喷孔流道锥度为1°和3°。
在不同的入口压力下,通过polyflow 软件对软性流体磨料在喷孔流道的流动特性进行了分析,并通过试验进行验证,发现仿真与试验结果误差在允许的范围内,证明了数值分析的可靠性。
关键词 磨料流加工;喷油嘴;polyflow ;锥度;倒角半径中图分类号 TH161;TH164;TG58 文献标志码 A 文章编号 1006-852X(2023)02-0265-07DOI 码 10.13394/ki.jgszz.2022.0142收稿日期 2022-07-04 修回日期 2022-09-27在喷油嘴的喷油雾化过程中,为了提高喷油嘴的雾化效果,需要喷孔入口有一定的倒角而且喷孔流道呈一定的倒锥形[1]。
目前,喷油嘴喷孔的加工主要是电火花加工和激光加工,但加工后孔道内壁会有大量毛刺、重铸层,并且粗糙度也达不到要求。
喷油嘴的燃油雾化性能不仅会受到影响,而且还会缩短发动机的使用寿命。
为了降低燃油消耗量、增强雾化效果和提高发动机的寿命,需要对喷孔进行入口倒圆、锥孔成形和去毛刺等光整加工。
随着航空航天、汽车制造、模具制造、医疗器械、纺织机械等科学技术和工业生产的快速发展,微小孔零件得到了广泛的应用,如汽车发动机中的喷油嘴、纺织机械上的精密零件喷丝板、挤压模具以及医疗卫生用具。
基于FLUENT的压电式无针注射器喷嘴射流分析
基于FLUENT的压电式无针注射器喷嘴射流分析张铁民;李晟华;梁莉;梅园【摘要】为研究压电式无针注射器的喷嘴结构对其射流形态、平均喷射速度和平均湍流强度的影响,首先,基于粘性不可压缩流体纳维-斯托克斯方程,利用计算流体动力学软件Fluent的Realizable k-ε湍流模型和流场体积函数多相流模型,对四种结构的喷嘴高压自由射流进行数值模拟,结果显示,锥柱形结构的喷嘴能得到可控性较好的对称射流;其次,利用正交试验法对锥柱形结构喷嘴的锥形收缩角和中部圆柱长度进行设计仿真分析,以得到上述结构参数及其交互作用对喷嘴的平均喷射速度和平均湍流强度的影响;最后,利用SPSS软件对仿真结果进行分析.结果表明,中部圆柱长度对喷嘴的平均喷射速度和平均湍流强度具有显著影响,锥形收缩角对前者无显著影响,而对后者具有显著影响,中部圆柱长度和锥形收缩角的交互作用对前者和后者均无显著影响.综合考虑,当锥形收缩角为30°、中部圆柱长度为0.2mm时,锥柱形喷嘴可得到最佳射流特性,此时出口平均速度可达6.56m/s,湍流强度均值为1.04%.该研究可为压电式无针注射器的喷嘴设计提供参考.%The effect of nozzle structure of piezoelectric needleless syringes on jet velocity,turbulence intensity and jet morphology on the nozzle cross-section arestudied.First,the numerical simulations with the fluid dynamic software Fluent are carried out using the Realizable k-εturbulence model and the VOF multiphase model based on viscous incompressible fluid N-S equations.The results show that the nozzle with a cone-shaped structure can obtain a symmetrical jet with good controllability.Second,the coneshaped contraction angle and the length of the middle cylinder of the cone-shaped nozzle are simulated and analyzed to study effects ofstructural parameters and their interactions on jetting speed??and turbulence intensity of the nozzle by using the orthogonal test method.Third,the results analyzed by the SPSS software show that the cylinder length has a significant impact on the average jet velocity and mean turbulence intensity of the nozzle.The cone angle has no significant effect on the former but has a significant effect on the latter.The interaction between the cylinder length and the cone angle has no significant effect on neither the former nor the latter.When the cone angle is 30(and the middle cylinder length is 0.2mm,the cone-shaped nozzle can obtain the best jet characteristic.The mean velocity of the outlet is 6.56m/s and the mean value of turbulence intensity is 1.04%.This study can provide a reference for nozzle design of piezoelectric needleless syringe.【期刊名称】《振动、测试与诊断》【年(卷),期】2019(039)002【总页数】10页(P273-280,440-441)【关键词】无针注射;喷嘴;压电效应;射流【作者】张铁民;李晟华;梁莉;梅园【作者单位】华南农业大学工程学院, 广州, 510642;华南农业大学工程学院, 广州, 510642;华南农业大学工程学院, 广州, 510642;华南农业大学工程学院, 广州, 510642【正文语种】中文【中图分类】TP615;TH771;O359.1引言在禽畜防疫中,养殖户常通过手动进给式有针连续注射器对畜禽实施免疫接种,存在着注射针安装步骤繁琐、对注射者使用要求高、药液被细胞吸收时间较长和注射废弃物处理难等问题[1]。
后混磨料射流颗粒运动仿真和实验分析
Vo 1 . 2 9
No . 2
重 庆 理 工 大 学 学 报( 自然科 学 )
J o u r n a l o f C h o n g q i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ( N a t u r a l S c i e n c e )
布 。通过 改 变磨 料 粒径 的 大小和入 口速 度 , 分析 研 究颗 粒 的运 动 情 况 。模 拟 结果 表 明 : 颗 粒粒 径 和颗 粒入 口速 度都 会 影响 粒子 的加 速运 动 , 进 而影 响切 割效 果 。分析得 出 了不 同粒 径 粒 子 的 最佳进 口速度和 最 佳颗 粒粒 径 , 并从 减 小喷嘴 磨 损和提 高射流 效果 方 面优 化 混合 过 程 。 实验 结
a b r a s i v e p a r t i c l e t r a j e c t o r y w e r e c a r r i e d o n i n t h e p o s t - mi x e d a b r a s i v e f o c u s i n g t u b e .R e f e r r i n g t o t h e
一
c b一
( 5 )
般磨 料 射 流 的磨 料 体 积 分 数 小 于 1 0 %, 因
此 可 以采 用 离 散 相 模 型 进 行 模 拟 仿 真 。 除 此 之
l 数 学 物 理 模 型 和 基 本 假 设
后混式喷嘴一般 由高压水射流喷头 、 混合腔 、
磨料 人 口和 磨 料 射 流 喷 嘴 等 组 成 , 如 图 1所 示 。
r a s i v e Wa t e r J e t P a r t i c l e T r a j e c t o r y[ J ] . J o u na r l o f C h o n g q i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y : N a t u r l a S c i e n c e ,
实心圆锥喷头水喷淋外部流场特性的模拟研究
增加 ; 降低 喷射 角度 以及 增 加 质 量 流 率 能 够 显 著 提 高 流 场 内 液 滴速度 ; 除喷射速度 外, 其 他 参 数 对 流 场 内 沿 喷 射 方 向 上 速 度 和 直 径 的 影 响 趋 势基 本 相 同 ; 研 究 参数 对 环 形 柱 体 区 域 内液 滴 直 径 和 速 度 以及 喷 头保 护 的 范 围有 重要 影 响 。 关键词 : 实心 圆锥 喷 头 ;水 喷 淋 ;流 场 ; 模 拟
件下的 , 且 多 使 用 压 力 旋 转 式 或 空 心 式 喷 嘴 等 条 件 。但 对于大液滴的 、 实 体 喷 嘴 外 部 离 散 相 特 性 的研 究 比较 少 。 张村峰等 、 张媛 等研究 了水 喷淋 对热 烟 气 的冷 却 性能 ; Ho u Ya n等 对 多 喷 头 喷 淋 冷 却 的特 点 进 行 了 研 究 。李 德 睿等用模拟的方法 , 采 用 标 准 实 心 圆锥 喷 嘴 参 数 通 过 变 化 喷 射 的初 始 条 件 得 到 不 同工 况 下 的喷 嘴 喷射 特 性 。 液体的雾化过程 是外 力 ( 液 体压力 、 气动 力等 ) 与 液
以 上 有关 喷 头 外 场 离 散 相 的研 究 基 本 是 在 小 液 滴 条
喷雾燃烧等方 面有着 各 自的优劣 势 。A n d r e a s和 Gt  ̄ n t e r
研究 了压力旋转 喷嘴产 生 的牛顿 流体 喷雾 特点 , 并 开 发 了在喷 雾 中 预 测 整 体 液 滴 尺 寸 分 布 的 方 法 。P a r k 和 He i s t e r 开 发 了轴 对 称 边 界 单 元 方 法 来 模 拟 压 力 旋 转 喷 头的雾化过程 , 使 用 该 模 型 预 测 了 大 量 的 非 常 小 的 特 别 是 在 实 验 中不 能 观 察 到 的小 液 滴 , 并 进 行 了 三 维 可 视 化 的 模 拟 。N o n n e n ma c h e r 和 P i e s c h e 开 发 了一 个 用 于 预 测
磨料水射流喷嘴内流场的数值模拟
由式( 7 ) 可知, 当磨料水喷嘴长度增加时, 水和磨 料在聚焦管中运行时间增大, 当 t 增大到一定值时, AtInt ≈ 1 + AtInt, u s 无限趋近于 u, 但当磨料水喷嘴聚 焦管过长, 动能损失, 磨粒和水的速度都会减小。 3 FLUENT 仿真模型的建立及流场分析 3. 1 喷嘴内部流动仿真模型的建立 图 2 是经 GAMBIT 前处理对磨料水喷嘴内部结构
磨料水射流技术是高速水射流束与磨料粒子相混 合形成的液固两相介质流体, 经特定磨料喷嘴喷出形 成磨料水射, 具有高切削速度、 良好的切削质量以及可 [1 - 2 ] 。 切削较厚的硬脆材料等优点 研究表明, 影响磨料水射流喷嘴磨损程度和使用 寿命的主要因素是喷嘴的形状和几何参数以及喷嘴的 材质。对于喷嘴的内轮廓来说, 喷嘴内的流量系数能 够反映出其能量传输效率, 而喷嘴的能量传输效率取 决于喷嘴内的锥形入口角度及其水和磨料在其内部 的流动状态 。 针对国内目前对后混合磨料水射流喷 嘴研究的 现 状 , 本 文 通 过 FLUENT 软 件 对 后 混 合 磨 料喷嘴内部 结 构 模 拟 仿 真 , 从而可以提高射流的效 率, 减少磨料颗粒对喷嘴的磨损程度 , 延长喷嘴的使 用寿命 。 2 2. 1 磨料水射流喷嘴物理及数学模型 磨料水射流喷嘴物理模型
3. 3
喷嘴收敛角与聚焦管长度的优化 通过模拟得到, 喷嘴聚焦管的长度会导致磨料粒
子与喷嘴壁的碰撞次数增加, 粒子在每次与喷嘴壁碰 而且还会造成磨料水喷 撞后不仅其速度会有所减小, 嘴壁的磨损速度加快, 使得喷嘴使用寿命降低。 图 5 描述了锥形入口角度对磨粒轨迹的影响, 模 拟结果表明, 在较小的锥形入口角喷嘴中, 磨粒和水的 加速较平滑, 粒子与喷嘴壁的碰撞机会较少, 降低了磨 粒对喷嘴壁的磨损。
高强铝合金7A52喷管锥段剪切旋压数值模拟研究
高强铝合金7A52喷管锥段剪切旋压数值模拟研究李学雷;韩冬;杨延涛;曹学文【摘要】喷管锥段是火箭发动机能量转化和推力向量控制机构,一般采用剪切旋压加工.采用ABAQUS有限元软件,建立了高强铝合金7A52锥形件剪切旋压模型;采用单一变量法,分析了旋压间隙、旋轮进给比、旋轮圆角半径对锥形件剪切旋压壁厚差的影响,为锥形件的制造提供一定的指导.%The nozzle cone is the energy conversion and thrust vector control mechanism for the rocket engine,which is normally processed by use of shear spinning process.The sheafing spinning model for high strength 7A52 aluminum alloy conical part has been established on basis of ABAQUS finite element software.The single variable method has been adopted to analyze the influence of the spinning gap,the roller feeding rate and the roller roundness radius on the shear spinning wall thickness difference for conical part.It provides certain reference for the manufacture of conical part.【期刊名称】《锻压装备与制造技术》【年(卷),期】2017(052)004【总页数】4页(P71-74)【关键词】锥形件;剪切旋压;7A52铝合金;数值模拟【作者】李学雷;韩冬;杨延涛;曹学文【作者单位】西安航天动力机械厂,陕西西安710025;西安航天动力机械厂,陕西西安710025;西安航天动力机械厂,陕西西安710025;西安航天动力机械厂,陕西西安710025【正文语种】中文【中图分类】TG335.19喷管锥段的制造可采用锻件机加、板料卷焊和旋压成形等工艺。
拉瓦尔喷嘴结构参数选取及其雾化性能数值模拟分析
拉瓦尔喷嘴结构参数选取及其雾化性能数值模拟分析赵向锋,陈绍杰【摘要】为加强喷嘴在高强度粉尘的煤矿井下的雾化性能,得到最优的结构设计和理想的雾滴粒径,本文首先依据公式得出一组拉瓦尔喷嘴的最优几何结构,探究了喉管直径、扩张角及气—液体积等物理参数对拉瓦尔式结构喷嘴雾化性能的影响规律。
在气—液两相流下,运用Fluent软件对喷嘴内流场进行数值模拟,得到了喷嘴内流场的速度云图。
发现喉管直径对拉瓦尔喷嘴出口速度有很大的影响;不同的扩张段半锥角对结果也有不同程度的影响;液体压力的变化对雾滴粒径的影响十分明显。
喷嘴内部气—液体积比为6∶4并且气—液压力比为3∶1时,除尘效果最好。
【期刊名称】《华北科技学院学报》【年(卷),期】2019(016)005【总页数】6【关键词】数值模拟;拉瓦尔喷嘴;结构参数【文献来源】https:///academic-journal-cn_journal-north-china-institute-science-technology_thesis/0201273467882.html基金项目: 中央高校基本科研业务费资助(3142015105)0 引言煤矿的井下采掘工作面作业会产生大量粉尘,而采用湿式喷雾降尘是最经济简便的方法,其基本原理都是采用压力水喷嘴的喷雾形式[1]。
目前,我国综掘工作面的除尘技术主要有通风除尘、喷雾除尘、除尘器除尘、风幕除尘、物理化学法除尘、泡沫除尘等。
这些方法对井下粉尘治理有一定的效果[2,3],但是并不理想,在运用过程中存在一定的弊端。
拉瓦尔式喷嘴的创新点是在超音速状态下的气—液两相技术的应用,对于拉瓦尔喷嘴的构造设计主要依赖于经验和实验,导致拉瓦尔喷雾降尘技术在井下实际应用中存在很大盲目性。
只凭经验设计喷嘴,不仅设计的结果十分不合理,而且造成材料浪费,最终降尘效果也大打折扣。
本文先通过理论计算设计喷嘴结构,然后结合CFD软件对其进行理论分析,得出了喷嘴速度与喷嘴进出口直径、喉管处直径以及扩长段角度等因素的关系,能为井下拉瓦尔喷嘴的实际应用提供技术指导。
不同结构喷嘴流场的仿真及锥直型喷嘴结构参数的优化
不同结构喷嘴流场的仿真及锥直型喷嘴结构参数的优化喷囁歷射流系统的一个关®它足形或鮎谕匚况的口接元件。
喘囁工艺参数的选择.将直接辭响喷嘴形成射流的流场.同时制約许琳沆系境的其他部杵•性能良好* 匹配的喷嘴.在不改变梵它条件的■情况K機大的提鬲肘流的效率•喷嘴的工艺参数决龙射流在喷嘴内外流场的动力学特性,「.艺参数的茂变蹲导戮流场的变化。
逋过对工艺参数的硏就,井ri优化幷参数,将有助于提高成套射流段备的技代水平。
射潦乍业的目的是破坏冃林物已有的结构或形状.罠判预期的目杯*其工艺是皑能——机械能一一射溢能的转代过#匕在这个过程中.喷嘴是转换射流能的尤件.灯于不同的hw J:u 的.射流的喷嘴育很多种形式。
按形狀可分为圖柱形喷嘴、扇形峨嘴、拝形喷唯等等.按圧力可彷为低Ji;喷嚨、高压嘟嘴、以及超祷爪啖嘴。
时丁以射流训割为3 的的加工过程.其特点是集聚能埴,集東射涼,从而获得最人的射槪打击力・所以圆形喷嘴比較理ML 怦统的咬嘴研览方法有理進计算和实脸研究.理论计算经常需耍进行假设”囲比悚得计算再应用就淀会存在差距.实验研究很容鬲得山结杲”但由于实醴方达、模型尺于、实验环境*测量苻变等,也很难获得理想的结构工艺参数。
随着计算机技术的发展’ LTD应用血牛,三是综存丁丼论计京以段实能研尬適过CFDHI拟仿貝珂以再规实验过程流场的内部情况,茯得最佳工艺参救后再通过实验的方法进行验证.节钓了大駅的人力、物力和财力“常用的鬲压射流喷嘴有三种形式.分别为洌柱彩*圆锥彩、锥直型。
如图50所(a) 0+x«(b)風悸型(门锥亜型图5.0常用嘖嘴结构图本文就以上三种喷嘴进行CFD仿真*研完射流在非淹没狀态卜.齐型喷嘴内外的流场利用匚卜D软件中的FLUENT仍轶件包进仃仿真研凡仿貝步骡如卜;L建立几何模型.生成计算网格:2导人卜LUENT软件中.检杳网格*变换帀位;3.远样求鮮器,以农求解力•样|层流込壯湍流I :4+添加流休材料属性;5.碗定边界娄型臥及边界羡件:6.设善农解控机鉴数.初扫化瀝场:Z求解计篇:«.保厅结果.进疔后址购"5.1圆林形喷嘴的流场仿真I沏JT模弔的楚丈及网俗划分运用FLUENT软件的前处理模块GAMBIT软件进行建模以及划分网格乜由于喷嘴结构比较简单,而11喷唏具仔轴对称结构,所以在建模.网格划分以及仿真都采用二维轴对称模型“喷嚨的詰构参数为:喷嘴直径喷嚅长度l=4nun」网格划分采用平向四辺脱单尤*百助于计算的收釦山计聲渝体力学的却论仔小在近壁面处、规復变化悌復衣的辿小网榕进仃局部加轧血图戈1W丘加口却:图5.1 61柱形囁嘴网格局祈放阳创『! J乂在FLULNT中进行求解把上一步ft Gambit屮所建"的模型导入FLUENT软件屮,检杳网格.检査网格的目的是罐免在网格划分过程中有负体积的单元山现*当网格中有绘小体积小于零时后续计悴无法进押.当网格有体根为琴的情况则需婴夙新划分刚.当程序的术尾语句岀现-Done-就衣示网咯划分程序町以识别,就町以述入下涉的单也设荒*阴为GAMBIT软件导岀的几何区城默认的尺寸单悅題“m”・通i±单位计算囲子的改变使分析软件中的单位和建模的羊位和同,由岡管的雷诺数计算公朮肮二四;式中¥ —H二匸带富zrH二二.。
湿法脱硫旋流喷嘴体积流量变化规律及数值模拟
防 堵 性 能 。 本 试 验 按 几 何 相 似 理 论 研 制 了 系 列 空 心 锥 旋 流 喷 嘴 ( 0 - 0、 0 7 D 0 5 D5 - 5 和 D1 0 9 D8 - 2、 6 - 4、 0 4 D4 - 6) 0 3 ,旋 流 腔 不 变 仅 减 小 出 口 直 径 设 计 了 系 列 喷 嘴 ( 6 5 D6 - 5 和 D6 - 6 , 选 择 实 心 锥 D 0- 4、 0 4 0 3)并 喷 嘴 ( X1 0 5 入 口 直 径 1 0mm , 口 直 径 5 S 0 - 0, 0 出 0mm) 和 螺 旋 喷 嘴 ( x8 入 口 直 径 8 ) 比 较 研 究 。 L 0, 0mm 作 试 验 喷 嘴 结 构 如 图 2所 示 。
0 引言
烟 气 脱 硫 是 减 少 二 氧 化 硫 排 放 最 经 济 、最 有 效
的 T- l。目 前 的 主 流 烟 气 脱 硫 工 艺 是 石 灰 石 / 灰 一 段 1 ] 石
石 膏 湿 法 脱 硫 , 核 心 设 备 是 脱 硫 吸 收 塔 , 常 其 最
电 磁 流 量 计
用 的 塔 型 是 喷 淋 塔 0 。 雾 化 喷 嘴 是 喷 淋 塔 内 的 关 ]
键 部 件 ,其 性 能 的优 劣 直 接 影 响 脱 硫 效 率 和脱 硫 成本 。
在 综 合 评 价 喷 嘴 雾 化 性 能 的参 数 中 ,体 积 流 量 表 示一 定 压力 下单 位 时 间 内流 经 喷 嘴 的液 体 体 积 , 是 最基 本 、 重要 的参 数之 一 , 是影 响能 耗 和脱硫 最 也 剂 利 用 率 的 主 要 因 素 。 其 进 行 系 统 地 研 究 , 喷 嘴 对 对
返 回 水 池 。 喷 嘴 前 装 有 压 力 传 感 器 用 于 测 量 喷
影响锥柱型喷嘴的射流特性的参数以及抛光几何参数
影响锥柱型喷嘴的射流特性的参数以及抛光几何参数1、喷嘴的几何参数对射流特性有重要的影响,影响锥柱型喷嘴的射流特性的参数有出口孔径、收缩角和长径比。
射流抛光喷嘴的几何参数的设计要从紊动强度、速度分布、磨粒浓度分布和活动阻力(影响喷嘴的磨损程度)等因数综合考虑。
研究表明,采用圆锥带圆柱出口型喷嘴,收缩角取13度,长径比取4,能获较好效果2、喷嘴的结构和造型决定了冲击射流的动力特性和壁面活动特性,锥柱型喷嘴出口断面速度分布比较平均,出口紊动强度较低,磨粒浓度分布平均,具有较佳的射流特性,适适用来进行射流抛光。
3、应根据对射流特性的要求来进行射流抛光喷嘴的设计,射流抛光技术是一种高精度的光学表面加工技术,射流特性会对去除函数性状和抛光精度产生重要的影响。
因此,为了获得更有利于射流抛光的射流特性,对射流抛光喷嘴的研究具有重要的意义。
通过对不同结构和几何参数的喷嘴进行数值模拟,总结和分析出了以下结论。
4、收缩段后定要有一段直线的过渡段,射流由收缩段进入喷嘴后,会以高度紊流状态的形式射出,水平的直线段可以使射流相对不乱下来,以相对小的紊流形式射出。
为研究锥柱型喷嘴长径比大小对射流特性的影响,分别对长径比为1、2、3、4和5的模型进行了数值模拟。
是不同长径比喷嘴的出口断面速度分布与紊动强度分布,结果显示,喷嘴长径比大小会影响射流出口速度分布和紊流度。
长径比越大,出口速度分布越不平均。
紊流强度不是跟着长径比的增大而线性变化,当长径比小于3时,紊流强度跟着长径比的增大而增大,当长径比大于3时,紊流强度跟着长径比的增大而减小。
因此,喷嘴长径比的选择应综合考虑,长径比为4时具有较好的射流特性。
5、长径比的优化设计,其中为颗粒对喷嘴壁面冲击角的函数,成正比关系。
可见,比值越大喷嘴的磨损的越快。
为研究锥柱型喷嘴收缩角大小对射流特性的影响,本文分别对收缩角为10度、13度、15度、18度和30度的模型进行了数值模拟。
下图是不同收缩角喷嘴的出口断面速度分布与紊动强度分布,从图可以看出,喷嘴出口断面速度分布和紊动强度与收缩角度有关,在收缩角度15度时,出口断面速度分布最平均,同时紊动强度表现为最大。
喷砂工艺的EDEM-Fluent耦合模拟喷嘴结构参数的研究
表面技术第51卷 第1期 ·192· SURFACE TECHNOLOGY 2022年1月收稿日期:2021-03-15;修订日期:2021-06-23 Received :2021-03-15;Revised :2021-06-23 基金项目:国家自然科学基金项目(51775258);辽宁省自然科学基金重点项目(20170540458);精密与特种加工教育部重点实验室基金(B201703)Fund :Supported by National Natural Science Foundation of China (51775258); Natural Science Foundation Plan Key Projects of Liaoning Province (20170540458); Key Laboratory Fund of Ministry of Education for Precision and Special Processing (B201703) 作者简介:周大鹏(1995—),男,硕士,主要研究方向为颗粒物质动力学。
Biography :ZHOU Da-peng (1995—), Male, Master, Research focus: particle matter dynamics. 通讯作者:马学东(1965—),男,博士,教授,主要研究方向为颗粒物质动力学。
Corresponding author :MA Xue-dong (1965—), Male, Doctor, Professor, Research focus: particle matter dynamics.引文格式:周大鹏, 马学东, 杜昱霖, 等. 喷砂工艺的EDEM-Fluent 耦合模拟喷嘴结构参数的研究[J]. 表面技术, 2022, 51(1): 192-201. ZHOU Da-peng, MA Xue-dong, DU Yu-lin, et al. Study on EDEM-Fluent Coupling Simulation of Nozzle Structure Parameters in Sandblasting Process[J]. Surface Technology, 2022, 51(1): 192-201.喷砂工艺的EDEM-Fluent 耦合模拟喷嘴结构参数的研究周大鹏1,马学东1,杜昱霖1,张凡1,陈燕1,王海令2(1.辽宁科技大学 机械工程与自动化学院,辽宁 鞍山 114051; 2.鞍山市长和冶金设备制造有限公司,辽宁 鞍山 114031)摘 要:目的 研究在喷砂工艺过程中,喷嘴的收缩角、喉部半径及扩散角3种结构对出砂平均速度和出砂总量的影响规律及原因。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
实心锥喷嘴干涉的数值模拟摘要:利用欧拉-拉格朗日法,采用实心锥喷射模型,realizable k-ε湍流模型,对单个喷嘴以及平行布置的双喷嘴干涉进行了数值计算。
对单个喷嘴进行计算,得到了SMD 和压力以及孔径之间的关系,和实验结果基本吻合。
对双喷嘴干涉进行计算,分析了干涉对液滴直径和DPM浓度的影响,得到了液滴直径和DPM浓度沿径向和轴向喷距的变化规律,以及喷雾场的速度分布规律。
关键词:DPM模型;实心锥;液滴直径;速度分布;DPM浓度0 前言喷嘴是一种广泛应用于工业领域、交通运输、农业生产以及人民日常生活的关键设备,喷嘴雾化性能的好坏和生产过程的进行以及生产产品的质量有着密不可分的关系。
尽管旋流喷嘴的应用如此广泛,但目前人们对其射流特性及其破碎雾化机理的认识尚不清晰。
对该类喷嘴的研究多以实验为主,且只是从直观的角度获取喷嘴雾化特性参数,所以本文采用数值计算的方法对喷嘴进行模拟计算。
目前,国内外学者对喷嘴数值模拟的研究主要集中在喷嘴的内流场,且以空心锥为主,本文采用了计算流体动力学(CFD)方法中的欧拉-拉格朗日法(对应的fluent模型为离散相模型(DPM))对喷嘴的外流场进行了数值计算。
1计算模型1.1几何模型的网格划分本文将分别对孔径为1.6mm、1.2mm、0.79mm的单个喷嘴和两个喷嘴干涉的外流场进行模拟研究。
单个喷嘴外流场的计算域为直径50mm,高80mm的圆柱体,其几何模型如图所示。
两个喷嘴干涉的外流场计算域为直径100mm,高80mm的圆柱体。
对单个喷嘴,利用proe软件对其进行建模,将其模型文件导入ICEM进行网格划分。
在ICEM中,利用“块”的思想,创建能够反应几何体特征的多重拓扑块,六面体块与几何模型建立映射关系,生成高质量的结构化网格,网格划分如图1所示。
对两个喷嘴干涉的外流场,利用gambit软件对其进行建模并进行网格划分,因为喷嘴和其外流场的尺寸相差太大,所以要采用不同的尺寸分别对其进行网格划分,喷嘴和其出口计算域均采用六面体非结构化网格copper方式划分,网格划分如图2所示。
图1 单喷嘴计算域网格划分 图2 双喷嘴计算域网格划分 1.2 控制方程采用欧拉-拉格朗日离散相模型,将空气视为连续相,并且求解N-S 方程;将液滴视为离散相,离散相是通过计算流场中大量粒子的运动得到的,粒子运行轨迹的计算也是独立的,他们被安排在流体相计算的指定间隙内完成。
采用realizable k-ε模型进行计算。
1.2.1连续相控制方程任何的流动和换热过程都要受到3个基本物理规律的支配,即质量守恒、动量守恒及能量守恒定律。
流体力学的控制方程是对这些守恒定律的数学描述,其中连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程分别用来描述质量守恒、动量守恒及能量守恒定律。
本文中,由于流体和外界没有明显的温差。
因此可以不考虑热量交换。
连续方程:连续性方程的微分形式为:0)()()(=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂zw y v x u t ρρρρ (1) 式中,ρ为流体的密度,t 为时间,w 、、v u 分别是速度矢量在z y x 、、方向上的分量。
对于不可压缩流体,其密度为常数,即0=∂∂tρ,本文中流体视为可压缩流体,故连续方程可简化为:0)(=∂∂+∂∂i i u x t ρρ (2)动量方程:)()]32([)()(''j i ii i ij i i j i i i j i i i u u x x u x u x u x y x p u u x u t ρδμρρρ-∂∂+∂∂-∂∂+∂∂•∂∂+∂∂-=∂∂+∂∂(3) k 方程ρεσμμρρ-+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂k j k t j i i G x k x x ku t k ])[()()( (4) ε方程 εερερεσμμρερεεv k C E C x x x u t j t j i i +-+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂221])[()()((5)上式中:C 1=max(0.43,5+ηη),κη21)2(ij ij E E =,ij j i ij x x E ∂∂+∂∂=μμ, 2C =1.9;i u 为时均速度;k G 是由速度梯度引起的湍动能k 的附加项;εσσ和k 分别为k 和ε的湍流普朗特数,2.10.1==εσσ,k ,t μ为湍流动能黏度,ερμμ2k C t =。
在realizable k -ε模型中,系数μC 不再是常数,而是采用计算式εμ/10k U A A C S *+=来计算。
1.2.2离散相控制方程:DPM 模型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(液滴或气泡)的轨道。
在流动过程中,除了自身的的惯性力外,颗粒还会受到曳力、重力、视质量力等作用力的影响,在旋转坐标系下,还会受到附加作用力的影响,从而导致其运动轨迹发生变化。
将液滴形状假设为球形来简化模型。
对每个单颗粒求解运动控制方程:k k k F dt d m )(∑=ν(6) 式中k ν为颗粒k 的运动速度,k m 为该颗粒的质量,k F )(∑表示颗粒所受的合力。
颗粒轨道方程p u dtdx = (7) 颗粒的运动方程:x p p x p D pf g u u f dt du +-+-=ρρρ)()( (8)式中,x f 为附加加速度项(单位颗粒质量的力);等号右边第二项为单位颗粒质量的重力与浮力的合力;)(p D u u f -为单位颗粒质量受到的阻力,24182p p e D D d R C f ρμ=,其中,pp e e D R a R a a C 321++=,μρp e e u u d R -=;u 为连续相速度;p u 为颗粒速度;ρ为连续相密度;p ρ为颗粒密度。
1.3数值计算过程1.3.1数值计算方法本文研究的是喷嘴喷射过程中的液滴破碎过程,此问题属于非稳态离散相问题,采用相间耦合的方法来观察颗粒分布。
首先求解连续相流场,即在不考虑喷雾的情况下,计算出无喷雾时的气体流场,待计算收敛后,以此作为两相流计算的初始流场,创建离散相喷射源,进而求解颗粒运动方程,得到颗粒运动的轨迹、速度,然后将颗粒作为源项加入流体相各方程,直至流体相与颗粒相分别收敛为止,最后利用这些参数看粒径分布和粒子密度分布等.采用分离式求解器求解,压力和速度的耦合采用SIMPLE 算法求解。
连续相计算时采用一阶定常隐式计算,离散相采用二阶非定常隐式时间推进法计算。
计算连续相时各个亚松弛因子都取为默认值。
1.3.2边界条件与初始条件的设置连续相:假设空气入口边界条件为速度入口。
离散相:动态曳力模型考虑颗粒的破碎与合并,喷雾雾滴破碎模型选用波致破碎模型(We>100),在雾化过程中不考虑热量和质量的传递射流源类型选择实心锥模型,计算中液滴为惯性颗粒。
简化喷嘴出口设置为离散相的速度入口,简化喷嘴的入口为水流的速度入口。
出口边界条件:雾化场的出口设置为压力出口,出口压力为大气压壁面边界条件:连续相采用无滑移固体壁面边界条件,计算式采用标准壁面函数法,离散相在简化喷嘴内的壁面边界条件为reflect,在流场区域的边界条件为escape。
2 计算结果分析2.1实验值与模拟值的比较图3为不同孔径的单喷嘴,其喷雾的索太尔平均粒径(SMD)随压力的变化曲线图,从图中可以看到,模拟值和实验值的基本吻合,变化趋势也大致相同。
只是模拟值比实验值要小,其原因可能是,计算模型中对喷嘴进行了简化,从而减少了其流动损失,造成流体离开时喷嘴时的速度增大,气-液速度差越大,液滴的破碎力越大,雾化粒径越小,雾化效果越好。
故模拟值要比实验值小。
图3 SMD与喷嘴孔径及压力间关系图2.2双喷嘴干涉的结果分析2.2.1液滴的直径分布平行距离为20mm,孔径为1.6mm的两个喷嘴在P=2.5MPa时进行干涉,其粒径沿径向喷距的变化图如图4所示,从图中可以看到喷嘴喷射的中心处(R=10,R=-10)SMD 值最小,沿半径增大的方向SMD逐渐增大,但随着压力的增大这种趋势逐渐减小。
其原因可能是:液滴在刚离开喷嘴是具有相同的速度,但由于质量越大惯性越大,动量和冲量也越大,所以直径比较大的液滴便可以直接到达喷雾的边缘,而相对于大液滴而言,空气阻力对小液滴的作用就更加明显,所以小液滴的飞行距离较短,并没有扩散到喷雾的边缘,只是聚集在中心区域,所以在喷雾中心处的SMD值较小。
从喷嘴的喷射中心位置到两个喷嘴的距离中心,SMD值也有增大的趋势,但这种趋势明显比沿径向增大的趋势要小的多,其原因可能是:两个喷嘴喷射的喷雾相互碰撞而引起的液滴破碎。
低韦伯数碰撞,碰撞的结果是合并或反弹,而韦伯数大于100时,碰撞引起液滴的破碎。
本文计算模型中的韦伯数是大于100的。
图4 SMD沿径向喷距的变化图图5是孔径为1.6mm的双喷嘴干涉的SMD值随喷嘴之间距离的变化图,图6是孔径为1.6mm的单喷嘴与距离为40mm的双喷嘴干涉的SMD值随压力的变化图,从图5、图6可以看出,随着压力的增大,SMD值逐渐减小;双喷嘴干涉的SMD值比单喷嘴的SMD值要小,只是两者之间的差值较小,但是双喷嘴干涉的SMD值随两喷嘴之间距离的增大基本保持不变。
前者是因为:压力增大,流体在离开喷嘴时速度增大,气-液速度差越大,剪切力的作用就越大,从而加大了液膜的破碎程度,而进入到流场中的液滴受到空气的扰动作用,二次破碎增强,从而使得液滴的破碎更加的充分,液滴直径更小。
后者是因为:液滴之间的碰撞导致破碎,使得双喷嘴的干涉的SMD值减小,但是FLUENT 中采用的O'Rourke发展的液滴碰撞模型并不是从几何角度来考察是否颗粒组之间存在轨道重叠,而是使用随机的方法来估计颗粒的碰撞概率,并且还假定只有颗粒组的液滴都处于同一个计算网格时,碰撞才会发生。
因此对于两个喷嘴喷雾在相交区域模拟时,随时时间的发展,即使两个喷嘴喷雾液滴因交叉碰撞而存在轨道重合,其液滴碰撞模拟仍然将由交叉区域内的液滴当作独立的液滴进行处理。
因此,双喷嘴干涉的SMD值只是比单喷嘴的SMD值略小一点,而且两喷嘴之间的距离对双喷嘴干涉的SMD 值几乎没有影响。
图5 SMD随喷嘴之间距离的变化图图6单喷嘴与双喷嘴干涉的SMD值随压力的变化图2.2.2 DPM浓度分布图7为平行距离为20mm,孔径为1.6mm的两个喷嘴在2.5MPa压力下进行干涉时不同截面上的DPM 浓度分布图,从图中可看出,随着z的增大,喷雾的面积逐渐增大,z=10mm时,喷雾半径为0.015m,当z=70mm时,喷雾半径增大到0.03m。
随着z的增大,喷嘴喷射中心处的DPM浓度逐渐减小;当z=10mm时,两喷嘴的喷雾还未发生干涉碰撞,DPM浓度的最大值出现在喷射中心处;当z>30mm时,两喷嘴的喷雾已经发生干涉碰撞,z=30mm时,DPM浓度的最大值出现在距离喷射中心5mm处,z>30mm时,DPM浓度的最大值出现在x=0mm处(即两喷嘴发生干涉区域的中心处)。