不同噴泉噴頭結構形式水力特性比較分析

吳丹

水景噴泉以其獨特的柔美舞姿以及千變萬化的形態吸引著人們的目光，已成為現代人們審美藝術的重要組成部分，在人們的精神文化生活中起著不可或缺的作用。現代噴泉主要由控制系統、燈光、設備及音響系統等組成，其中噴頭為噴泉設備的關鍵部件。

1.常見的管嘴形狀比較

由于常見的管嘴形狀中流線型管嘴的流速系數及流量系數較大[1]，因此選用流線型噴頭與現有噴頭進行比較分析。圖1 為兩種不同形狀的噴頭，兩種噴頭上部流道形狀不同：結構1 采用母線為直線的錐形，現有噴泉噴頭絕大多數均采用該結構形式；結構2 采用母線為圓弧曲線的錐形，其余結構相同。

圖1 不同結構噴頭比較

在三維繪圖軟件中繪制噴頭流道內流體部分，采用有限體積方法對其離散，導入FLUENT 中進行基本設置。設置噴頭入口的邊界條件處為壓力入口，考慮現實噴泉噴射高度，設置入口處壓力為0.5MPA，設置出口的邊界條件為壓力出口，出口壓力為相對大氣壓力，即0MPA，計算過程中應考慮重力的影響，在運行條件中設置重力加速度為9.8m/s2。由于考慮噴頭內部水流出后的計算，采用非定常方法，由于不考慮噴頭內部能量方程與動量方程的相互耦合作用，采用PISO 算法對流場進行迭代計算[2]，并得到這兩種噴頭內部的壓力分布和速度矢量分布。

2.噴頭壓力分析

圖2 為兩種噴頭壓力分布圖，下端為噴頭入口，上端為噴頭出口，下端空白部分為入口處四片導流柵。通過圖（a）、圖（b）比較分析，噴頭流道內水流壓力均呈現壓力逐漸減小的趨勢，由于噴頭處急劇變化流體邊界較少，局部及沿程損失均可不計，由能量方程可知，入口處流體的壓能將轉換為噴頭出口處的位能和動能，圖（b）形式的噴頭出口出水壓更低，則其由入口處轉化的動能流速也就越高，噴射高度也越大。

圖2 壓力分布圖

3.噴頭流速分析

從圖3 中也可以看出兩種結構內流速的不同，流線型結構噴頭出口處流速明顯高于直線型噴頭，其噴射高度更高。

圖3 速度矢量圖

圖4 為兩種噴頭的外部流場水的分布圖，可以看出，流線型噴頭噴射高度及水型均較好。

圖4 兩種噴頭的外部流場水的分布圖

4.結語

綜上所述，好的內部流道的結構不僅可增加噴泉噴水高度，而且會使噴泉出水水型較好。本文通過目前在計算流體力學領域應用較為廣泛的軟件FLUENT，計算比較了兩種不同的流道結構的噴頭內部水流的速度場及壓力場，并選擇出較好的流道結構形式。