射流流场的数值模拟怎么解？FLUENT来搞定！

2016-09-04 by:CAE仿真在线来源:互联网

射流流场的数值模拟怎么解?FLUENT来搞定!
钟振亚(豪迈化工)引言射流,指流体从管口、孔口、狭缝射出,或靠机械推动,并同周围流体掺混的一股流体流动。经常遇到的大雷诺数射流一般是无固壁约束的自由湍流。这种湍性射流通过边界上活跃的湍流混合将周围流体卷吸进来而不断扩大,并流向下游。射流在水泵、蒸汽泵、通风机、化工设备和喷气式飞机等许多技术领域得到广泛应用。本文将FLUENT应用于喷嘴射流流场的数值模拟,使我们更加深刻地理解问题产生的机理、为实验研究提供指导,节省实验所需的人力、物力和时间,并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用。控制方程与湍流模式非定常可压缩的射流满足如下的N-S方程:

上式中,Ω是控制体,∂Ω是控制体边界面,W是求解变量,F是无粘通量,G是粘性通量,H是源项。采用二阶精度的有限体积法对控制方程进行空间离散,时间离散采用Gauss-Seidel隐式迭代。

FLUENT软件包中提供了S-A(Spalart-Allmaras),K-ε(包括标准K-ε、RNG K-ε和Realizable K-ε),Reynolds Stress等多种湍流模式,本文在大量数值实验的基础上,亚音速射流选择RNG K-ε湍流模式。

算例分析(一)二维轴对称亚声速自由射流

计算了一个出口直径为4mm的轴对称收缩喷嘴的亚声速射流流场,压比为2.15。外流场的计算域为20D×5D(见图1)。

图1 计算域及网格示意图

图2显示的是速度分布,图3、图4分别显示了轴线上的速度分布以及截面上的速度分布计算值与实验值的比较。

图2 速度分布

图3 轴线上的速度分布

图4 截面上的速度分布

(一)二维轴对称超声速自由射流计算域与网格划分与算例一相同,压比分别为4和6。图5、6显示了在不同压力下的马赫数分布。图中可以清晰的看到喷嘴出口附近膨胀波与压缩波的相交与反射现象。当压比为6时,喷嘴出口附近出现了马赫盘和滑移线。

图5 压比为4时的马赫数分布

图6 压比为6时的马赫数分布图7压比为4时喷嘴出口附近的马赫数等值线分布以及出口截面上的马赫数分布。从图中我们可以看出,声速线和出口截面不在一个平面内,在喷嘴出口截面上,轴线附近是亚声速流动,靠近壁面处为超声速流动。这个结果与前人的研究结论是相符合的。

图7 压比为4时出口截面马赫数分布

图8 压比为6时出口截面马赫数分布结论射流是流体运动的一种重要类型。气动喷嘴喷射出的高速射流在工业上和军事上有着广泛的应用。本文从可压缩非定常的N-S方程出发,对气动喷嘴对喷嘴的高速射流流场进行了数值模拟。通过上述两个算例证明采用Fluen对喷嘴高速射流进行数值模拟是可行的,计算结果与实验吻合的较好。通过数值模拟,可以更好的了解喷嘴的内外流场的流动状况,对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用。

参考文献[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。紊动射流. 北京:高等教育出版社, 2003[9] 徐惊雷等. 冲击射流的研究概述.力学与实践, 2010 ,21(6):8-16[10] 是勋刚,湍流. 天津大学出版社,1992

开放分享：优质有限元技术文章,助你自学成才