漸縮噴管與直短管的流場數值模擬及分析比較

崔祖濤++周林元

摘 要：本文介紹了漸縮噴管內外部流動數值模擬的基本理論和方法，通過計算流體力學（CFD）技術對工質流體流經直短管和漸縮噴管的流動狀態進行模擬，分析了工質流體流經噴管時噴管內外部的流場分布，并對兩種短管的性能加以比較。

關鍵詞：漸縮噴管；數值模擬；流場；卷吸

1 噴管應用概述

噴管的應用范圍幾乎包含所有工業領域、交通運輸、農業生產，以及人民日常生活。除了人們熟知的燃燒設備和裝置外，在非燃燒工業設備上也廣泛應用。

2 物理模型

圖中D為噴管進口直徑，d為出口直徑，L為直管長度，H為收縮段高度。由于噴管的流動為對稱的，所以可以采用二維模型，采用輸入坐標構造模型，并且為了能夠得到較好的網格，采用分塊劃分網格，從而避開網格產生的畸形。

因為該模型對稱，計算簡單，所以直接用面的形式進行網格劃分，為了使換分網格更精確，做輔助面將其劃分為多個面，然后按照所分的區域，分區域劃分網格，采用結構性網格，同時采用四邊形網格，經檢測，網格質量良好。

3 數值模擬理論基礎

3.1 噴管的工作原理

高壓低速的流體流過噴管時壓力降低，流速增加，壓力能減小動能增加。工質在壓差的作用下，迅速擴散，動能增加的同時對外做功，或者將速度能轉換成壓力能。

3.2 模擬的流體力學基礎

（1）連續性方程。在有限控制體中，質量守恒意味著：控制體表面的凈質量流出等于控制體內質量的時間變化率。即：

（2） 動量守恒方程。動量守恒定律是任何流動系統必須滿足的基本定律，

（3）能量守恒方程。能量守恒定律包含有熱交換的流動系統必須滿足的基本定律，其表達式為：

除了流體的三大基本方程，還有組分質量守恒方程、控制方程的通用形式以及湍流的控制方程、守恒型控制方程和非守恒型控制方程等方程。

4 邊界條件及殘差曲線

壓力進口邊界條件，入口壓力略低于儲氣罐壓力（5bar），理想空氣的參數：溫度為300K，ρ=1.225kg/m3 μ=14.8×10-6Pa·S，噴管的進口水力直徑等于噴管直徑，即16mm。湍流模型計算得：k=0.26m2/s2；k-ε=19.3m2/s3。Outlet設為presssure-outlet即出口邊界條件。

求解計算迭代殘差曲線如下：

進出口質量流量相差0.0065239258Kg/s，計算誤差為0.0876079%，滿足質量守恒方程，該模擬結果收斂。

5 流場模擬

利用模擬軟件及試驗工況可以得到以下各圖：

通過以上各云圖及曲線圖，可以看出流體流經噴管時壓力減小，速度增加，湍動能增加；可以用來印證教學以及實驗。

6 數值計算分析比較

采用尺寸相近的直短管做噴管來比較，其余條件相同。為了便于比較分析，將二者軸線上的速度write出的文件導入origin進行處理，得到直管和漸縮噴管的軸線速度隨距噴管入口距離變化的曲線，如圖5所示。

通過比較可以清晰的看出漸縮噴管的卷吸效果非常明顯，在氣流過程中形成明顯的低壓區，速度明顯的高于直管，得出在相同的條件下，漸縮噴管相對于直管具有良好的卷吸效果，能夠獲得更大的動量，因此在需要更大動量的設備運行中應盡量將直管改為漸縮噴管以節約成本。

7 結束語

數值模擬的結果表明，漸縮噴管可以比直管式噴管獲得更高的動量，同時也表明漸縮噴管可以廣泛應用于較大出流的場所。另外在實際教學中可用數值模擬來代替部分試驗，讓學生能夠直觀的觀察到各種工況的現象；同樣也可用于實際工程試驗，達到縮短周期、節省開發費用的目的。

參考文獻：

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作者簡介：崔祖濤（1985-），男，河南開封人，本科，研究方向：鍋爐燃燒，職稱初級。endprint