音速喷嘴流动特性及临界背压比测量的数值分析.pdf

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1、音速喷嘴流动特性及临界背压比测量的数值分析胡鹤鸣李春辉王池中国计量科学研究院，北京100013摘要音速喷嘴是最常用的气体标准流量计之一，结构简单，准确度高，但其内部流动特性却十分复杂。本文模拟了喷嘴内部的流场及温压分布，分析了临界流状态前后的流动变化，可以为喷嘴的使用者提供一些理论参考。临界背压比是音速啧嘴应用过程中的一个重要参数，临界背压比的测量通常可以用标准流量计和喷嘴串联这两种方法，利用数值模拟结果对两种方法进行了分析和比较。关键词音速喷嘴;流动特性;临界背压比;数值模拟2010年全国流量测量学术交流会论文集流动。喷嘴边壁的曲线形状是保持其内部临界流状态的关键，按照国际标

2、准IS09300中的喇叭形喉部喷嘴进行建模，喷嘴边壁曲线前段为一段圆弧，后端为一段直线扩散段，两者相切，衔接光滑，圆弧段接近末端一处直径最小，为喉径位置，喉径为d。喷嘴入口直径为2．5巩入口圆弧段的半径为2盔扩张段的扩张角为3度，喷嘴出口面积和喉径面积的扩张比为1．75。利用fluent6．3对喉径为10mm的喷嘴进行了数值模拟。初步的模拟发现，计算域是否包含喷嘴前后的管段对喷嘴内部流动基本无影响，出于降低计算量考虑，计算域只包含喷嘴段。计算网格见图1所示，网格数量约为1．2万，壁面附近的网格进行了加密处理，每一层网格的尺寸按照1．05的比率逐渐增长。⋯慝用{HⅡ⋯一⋯～．，一

3、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～，一tL·．一I‘

4、{j～¨1__一。．一。一’图l计算网格计算过程中，采用旋转轴对称的二维模型，以喷嘴轴线为轴；介质按照理想气体进行处理，参考压力设置为零，按照绝对压强模拟计算域内的压力。紊流模型采用S．A模型，对流项插值采用二阶迎风格式。喷嘴壁面按照绝热处理，入口和出口均采用压力条件，均按照绝对压力来给出，其中入口压力为1a缸n，温度为300K，出口压力按照不同的背压来设置。模拟得到的入口平均压力稍低于1atIll，1atnl的入口压力实际为喷嘴的滞止压力；而模拟得到的平均出口压力也稍低于设置的出口压力，喷嘴的背压应取用实际值。2喷嘴内部流动分析由于喷嘴

5、滞止压力为1釉，故喷嘴背压比即为以atIll为单位的背压值。选择了0．卜0．9之间若干个背压比，模拟得到了不同背压条件下覆盖临界流和非临界流的喷嘴内部流动。图2以背压依次降低的顺序给出了喷嘴流动的马赫数，反应了喷嘴流动由非临界状态逐渐过渡到临界状态的过程。喷嘴背压值大于O．855atIll时，喷嘴内部流动全部处于亚音速状态，喉部流动马赫数最高但小于1，说明没有达到临界状态；白喉部开始扩张段内流动出现边界层分离现象。喷嘴背压等于O．855atlll时，只有喷嘴喉部附近马赫数为1，流速达到当地音速，扩张段中的流动会减速而成为亚音速流动，此时恰好进入临界流状态，边界层的分离依然自喷嘴

6、喉部开始发生。喷嘴背压值继续减小，喉部流动已达到音速将不再增加，但却会使扩张段内的流速继续增大而出现超音速流动，然后形成一个激波，气流通过这个激波的过程是不等熵的，流速将从超音速突然变成亚音速；随着喷嘴背压的降低，激波波阵面的位置逐渐地移向下游，直到喷嘴内不再发生激波为止，背压值为0．137atm时喷嘴内部就不再出现激波。值得注意的是，激波发生的位置也就是边界层开始分离的位置，激波不出现在喷嘴内部，完全没有边界层分3062010年全国流量测量学术交流会论文集离现象。另外，喷嘴刚进入临界流状态时，继续降低，由于扩张段的边界层脱离现象，阵面类似于带平顶的伞面状。＼激波阵面基本垂直于

7、喷嘴轴线，而随着背压值的激波阵面出现一定的倾斜，从三维视角来看激波9印哩卜哆叼节叩州■99NrfPrT．T．西∞卜∞∞寸nNro■■量．谰—■霍羚’i?镧■_>≯＼一————，唧。舞謇寮案罴雾署R=0．897atnlR20．866a仃11≥7k．一多77、＼．．一P630．855atIllP6=0．845anTl≥77、、、＼一．一≯77、＼。．一乡77、、＼＼一．一F；77、＼。．一P6=0．794atm尸6=0．593a缸Il即0·374atlllR：0．136咖图2喷嘴内部的马赫数分布图3进一步以喷嘴内部不同位置截面平均值的方式，给出了不同背压条件下喷嘴内部马赫数的发展变

8、化过程。可以定量地看到，P。>O．855时喷嘴内部流动完全处于亚音速流动状态，最大马赫数出现在喷嘴喉部，马赫数在喷嘴内的上升和下降过程都比较缓慢；P6=O．855时恰好进入临界流状态，喷嘴喉部马赫数为1，当地音速为315州s左右，略低于空气标况下的音速。随着背压值的继续降低，喷嘴收缩段的流动基本没有变化，依然与恰好进入临界流状态时相同，而扩张段的流动有着较大的变化，超音速范围将越来越靠后，超音速以激波的形式迅速结束而进入亚音速状态。可以明显看到跨越音速的激波发生位置，激波前的马赫数与背压相关