水射流冲击平板问题分析

水射流冲击平板问题分析

摘要：为了加深对水射流冲击平板问题的理解，将该问题简化为二维模型，并对此二维模型进行了理论分析和数值模拟。理论分析采用理想流体模型，并在忽略重力条件下运用流体连续性方程、动量方程和能量方程对该问题进行了研究。此外，采用fluent软件中的VOF模型对该问题进行数值模拟。最后将两种方法获得的平板受力和流量分配情况进行对比，两者吻合良好。

关键词：射流冲击；理论分析；数值模拟；VOF模型

0 引言

射流，是指流体从管口、孔口、狭缝中射出，并同周围流体掺混的一股流体流动，是一种广泛存在于自然界和工业生产中的现象，如喷泉、蒸汽泵、喷气式飞机等都是射流现象的典型代表。

射流运动具有一定的能量，在工业上常利用射流冲击材料实现清洗、剥层、切割等工序，而此时材料受射流冲击力的大小以及射流流量分配为重要的参数。本文通过理论分析与数值模拟两种方法，分别对平板所受水流冲击力以及平板上的流量分配进行了研究。

1 物理描述

本文考虑二维情况下的水射流冲击平板问题，并对其进行了分析。二维模型如图1所示，一股速度为，体积流量为的水射流从管道入射，冲击在一倾斜角为的平板上，其后在平板上分为两股流体，体积流量分别为和，根据理论分析可得到平板所受冲击力以及平板上流量的分配情况。

2 理论计算

真实流体所具有的粘性会对理论分析带来极大的困难，简便起见，这里考虑入射流体为处于环境压力内的定常不可压缩理想流体，并忽略流体所受的重力，此时建立如图1所示的坐标系，设平板对水流的冲击力方向如图1所示。

分析：

（1）在此水射流冲击平板的二维模型中，数值模拟结果与理论计算结果可以较好吻合。

（2）由计算可知数值模拟值与理论值相接近，可知VOF方法对水射流冲击平板的二维模型有较好的模拟。

（3）在理论计算的过程中，由于不考虑摩擦（即视为理想流体）和忽略了

重力，故肯定与实际情况存在一定偏差。

（4）数值模拟结果可能存在误差，分析造成模拟值有可能存在误差的原因有：流体边界值难以预测，边界条件不一定准确，网格划分过程中存在截断误差，选用的模型中引入一些假设等。

（5）理论分析与数值模拟相比，更加简便快捷，但是计算结果较为简单，数值模拟可以获得更多的流场信息。

5 总结

在学习过程中要善于思考，把学到的知识综合运用起来。本文将流体力学知识和计算流体知识相结合，互相验证，有利于对两种知识更进一步的理解和掌握。

各种数据显示数值模拟的结果与实际情况存在一定的误差，但对于本文所研究的二维问题而言，数值模拟与理论分析误差比较小，都可以较好的符合实际情况，大大了方便研究分析，虽然数值模拟的方法没有理论分析快捷方便，但是可以显示流线分布情况，速度矢量分布情况等大量的流场信息，便于更加全面、直观的掌握流动细节，是工程应用中一种很方便的工具。

参考资料：

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