射流流場的數(shù)值模擬怎么解？FLUENT來搞定！

2016-09-04 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

射流流場的數(shù)值模擬怎么解?FLUENT來搞定!
鐘振亞(豪邁化工)引言射流,指流體從管口、孔口、狹縫射出,或靠機(jī)械推動(dòng),并同周圍流體摻混的一股流體流動(dòng)。經(jīng)常遇到的大雷諾數(shù)射流一般是無固壁約束的自由湍流。這種湍性射流通過邊界上活躍的湍流混合將周圍流體卷吸進(jìn)來而不斷擴(kuò)大,并流向下游。射流在水泵、蒸汽泵、通風(fēng)機(jī)、化工設(shè)備和噴氣式飛機(jī)等許多技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文將FLUENT應(yīng)用于噴嘴射流流場的數(shù)值模擬,使我們更加深刻地理解問題產(chǎn)生的機(jī)理、為實(shí)驗(yàn)研究提供指導(dǎo),節(jié)省實(shí)驗(yàn)所需的人力、物力和時(shí)間,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理和規(guī)律的得出起到很好的指導(dǎo)作用?？刂品匠膛c湍流模式非定常可壓縮的射流滿足如下的N-S方程:

上式中,Ω是控制體,?Ω是控制體邊界面,W是求解變量,F是無粘通量,G是粘性通量,H是源項(xiàng)。采用二階精度的有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行空間離散,時(shí)間離散采用Gauss-Seidel隱式迭代。

FLUENT軟件包中提供了S-A(Spalart-Allmaras),K-ε(包括標(biāo)準(zhǔn)K-ε、RNG K-ε和Realizable K-ε),Reynolds Stress等多種湍流模式,本文在大量數(shù)值實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,亞音速射流選擇RNG K-ε湍流模式。

算例分析(一)二維軸對(duì)稱亞聲速自由射流

計(jì)算了一個(gè)出口直徑為4mm的軸對(duì)稱收縮噴嘴的亞聲速射流流場,壓比為2.15。外流場的計(jì)算域?yàn)?0D×5D(見圖1)。

圖1 計(jì)算域及網(wǎng)格示意圖

圖2顯示的是速度分布,圖3、圖4分別顯示了軸線上的速度分布以及截面上的速度分布計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較。

圖2 速度分布

圖3 軸線上的速度分布

圖4 截面上的速度分布

(一)二維軸對(duì)稱超聲速自由射流計(jì)算域與網(wǎng)格劃分與算例一相同,壓比分別為4和6。圖5、6顯示了在不同壓力下的馬赫數(shù)分布。圖中可以清晰的看到噴嘴出口附近膨脹波與壓縮波的相交與反射現(xiàn)象。當(dāng)壓比為6時(shí),噴嘴出口附近出現(xiàn)了馬赫盤和滑移線。

圖5 壓比為4時(shí)的馬赫數(shù)分布

圖6 壓比為6時(shí)的馬赫數(shù)分布圖7壓比為4時(shí)噴嘴出口附近的馬赫數(shù)等值線分布以及出口截面上的馬赫數(shù)分布。從圖中我們可以看出,聲速線和出口截面不在一個(gè)平面內(nèi),在噴嘴出口截面上,軸線附近是亞聲速流動(dòng),靠近壁面處為超聲速流動(dòng)。這個(gè)結(jié)果與前人的研究結(jié)論是相符合的。

圖7 壓比為4時(shí)出口截面馬赫數(shù)分布

圖8 壓比為6時(shí)出口截面馬赫數(shù)分布結(jié)論射流是流體運(yùn)動(dòng)的一種重要類型。氣動(dòng)噴嘴噴射出的高速射流在工業(yè)上和軍事上有著廣泛的應(yīng)用。本文從可壓縮非定常的N-S方程出發(fā),對(duì)氣動(dòng)噴嘴對(duì)噴嘴的高速射流流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過上述兩個(gè)算例證明采用Fluen對(duì)噴嘴高速射流進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合的較好。通過數(shù)值模擬,可以更好的了解噴嘴的內(nèi)外流場的流動(dòng)狀況,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理和規(guī)律的得出起到很好的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)[1] Zhang Han. Design improvement of main air distributor in regenerator of FCCU.Petroleum Refinery Engineering,1998,28(5):20-24[2] Jiao Weizhou , Zhao Zhen hui, Liu Yaoyu. Revamping of regeneration system in RFCC unit. Petroleum Refinery Engineering, 2004,34(7):20-22[3] Wan Gujun, Wei Yaodong, Shi Mingxian. Analysis of gas-phase flow field for erosion of FCC dendritic main air pipe distributor. Petroleum Refinery Engineering, 2006, 36(3): 21-24[4] Li Xiaoman, Wan Gu jun, Wei Yaodong. Analysis of the gas flow field for the erosion of nozzles of pipe distributor in FCCU. Petroleum Refinery Engineering, 2006, 36(6): 14-16[5] Chen Gantang. Chemical Reaction Engineering . Beijing: Chemical Industry Press,1981[10] Jin Yong ,Yu Zhiqing, Sun Zhufan, Peng Bingpu .Investigation on branched pipe distributors for fluidized beds: Determination of design parameters for branched pipe distributors. Journal of Chemical Industry and Engineering(China),1984 (3): 203-212[6] Zhang Chengfang, Zhu Zibin , Xu Maosheng, Zhu Bingchen. Study on the distribution of the fluid flow in radial flow reactors. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 1979 (1) :67-90[7] Xu Zhigang , Yu Feng, LiRuijiang,Wu Yongqiang, Zhu Zibin, Zhang Chengfang. Variable mass flow through the vertical perforated channels Chinese Journal of Process Engineering , 2003 ,3(1) : 1-7[8] 余常邵。紊動(dòng)射流. 北京:高等教育出版社, 2003[9] 徐驚雷等. 沖擊射流的研究概述.力學(xué)與實(shí)踐, 2010 ,21(6):8-16[10] 是勛剛,湍流. 天津大學(xué)出版社,1992

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才