射流流場的數值模擬怎么解？FLUENT來搞定！

2016-09-04 by:CAE仿真在線來源:互聯網

射流流場的數值模擬怎么解?FLUENT來搞定!
鐘振亞(豪邁化工)引言射流,指流體從管口、孔口、狹縫射出,或靠機械推動,并同周圍流體摻混的一股流體流動。經常遇到的大雷諾數射流一般是無固壁約束的自由湍流。這種湍性射流通過邊界上活躍的湍流混合將周圍流體卷吸進來而不斷擴大,并流向下游。射流在水泵、蒸汽泵、通風機、化工設備和噴氣式飛機等許多技術領域得到廣泛應用。本文將FLUENT應用于噴嘴射流流場的數值模擬,使我們更加深刻地理解問題產生的機理、為實驗研究提供指導,節省實驗所需的人力、物力和時間,并對實驗結果的整理和規律的得出起到很好的指導作用。控制方程與湍流模式非定常可壓縮的射流滿足如下的N-S方程:

上式中,Ω是控制體,?Ω是控制體邊界面,W是求解變量,F是無粘通量,G是粘性通量,H是源項。采用二階精度的有限體積法對控制方程進行空間離散,時間離散采用Gauss-Seidel隱式迭代。

FLUENT軟件包中提供了S-A(Spalart-Allmaras),K-ε(包括標準K-ε、RNG K-ε和Realizable K-ε),Reynolds Stress等多種湍流模式,本文在大量數值實驗的基礎上,亞音速射流選擇RNG K-ε湍流模式。

算例分析(一)二維軸對稱亞聲速自由射流

計算了一個出口直徑為4mm的軸對稱收縮噴嘴的亞聲速射流流場,壓比為2.15。外流場的計算域為20D×5D(見圖1)。

圖1 計算域及網格示意圖

圖2顯示的是速度分布,圖3、圖4分別顯示了軸線上的速度分布以及截面上的速度分布計算值與實驗值的比較。

圖2 速度分布

圖3 軸線上的速度分布

圖4 截面上的速度分布

(一)二維軸對稱超聲速自由射流計算域與網格劃分與算例一相同,壓比分別為4和6。圖5、6顯示了在不同壓力下的馬赫數分布。圖中可以清晰的看到噴嘴出口附近膨脹波與壓縮波的相交與反射現象。當壓比為6時,噴嘴出口附近出現了馬赫盤和滑移線。

圖5 壓比為4時的馬赫數分布

圖6 壓比為6時的馬赫數分布圖7壓比為4時噴嘴出口附近的馬赫數等值線分布以及出口截面上的馬赫數分布。從圖中我們可以看出,聲速線和出口截面不在一個平面內,在噴嘴出口截面上,軸線附近是亞聲速流動,靠近壁面處為超聲速流動。這個結果與前人的研究結論是相符合的。

圖7 壓比為4時出口截面馬赫數分布

圖8 壓比為6時出口截面馬赫數分布結論射流是流體運動的一種重要類型。氣動噴嘴噴射出的高速射流在工業上和軍事上有著廣泛的應用。本文從可壓縮非定常的N-S方程出發,對氣動噴嘴對噴嘴的高速射流流場進行了數值模擬。通過上述兩個算例證明采用Fluen對噴嘴高速射流進行數值模擬是可行的,計算結果與實驗吻合的較好。通過數值模擬,可以更好的了解噴嘴的內外流場的流動狀況,對實驗結果的整理和規律的得出起到很好的指導作用。

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