d14012旋转压力式喷嘴干涉的数值模拟

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1、D高等学校工程热物理第二十届全国学术会议编号：D-14012旋转压力式喷嘴干涉的数值模拟邱庆刚贾莹贾丹丹沈胜强（大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116000）（联系电话：0411-82920419，E-mail：qqgang@dlut.edu.cn）摘要：利用欧拉-拉格朗日法，采用实心锥喷射模型，realizablek-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

2、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

3、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

4、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realizablek-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

5、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：(1)式中，为流体的密度，为时间，分别是速度矢量在方向上的分量。对于不可压缩流体，其密度为常数，即，本文中流体视为可压缩流体，故连续方程可简化为：(2)动量方程：(3)方程(4)ε方程(5)上式中：C1=max(0.43,),,,=1.9;为时均速度；是由速度梯度引起的湍动能的附加项；分别为和的湍流普朗特数，，为湍流动能黏度，。在real

6、izable-模型中，系数不再是常数，而是采用计算式来计算。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：(6)式中为颗粒的运动速度，为该颗粒的质量，表示颗粒所受的合力。颗粒轨道方程(7)颗粒的运动方程：(8)式中，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；为单位

7、颗粒质量受到的阻力，，其中，，；为连续相速度；为颗粒速度；为连续相密度；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