收缩喷嘴内部流道型线对射流流场的影响

　　1 前言

　　伴随着气枪喷嘴在工业上的广泛使用,气枪的节能问题日益引起人们的重视。由于过去生产厂家对气枪的喷嘴设计不很重视,用户对气枪的要求也不高,从而忽略了对这种广泛使用的工具的研究分析,造成了很大的能源浪费。改善气枪喷嘴的设计,提高气枪的工作效率对于节约能源具有重大的意义。

　　国内外学者对喷嘴内部流道型线影响的研究多着眼于收缩)扩张型的超音速喷嘴以及不可压的低速射流状况(100 m/s以下)。Vasil^.ev, O.A.,Minin, S.N., Shipovskikh, A.[1]从理论和实验两个方面分析了在收缩)扩张型喷嘴中喉部长度对流动参数的影响。Katanoda Hiroshi, Miyazato Yosh-iaki等[2]通过数值求解欧拉方程,分析了欠膨胀的超音速自由射流喷嘴出口截面与轴线的夹角对激波位置的影响。Yang Geunyoung, Choi Mansoo, LeeJoon Sik[3]以及V.W.R.Quinn, J1Militzer[4]曾经分别运用实验和计算的方法对不可压的低速射流下不同流道形线的喷嘴进行了研究,指出射流初始段截面上速度的衰减以及轴心速度的衰减与喷嘴内部流道形线有关。但是对于收缩喷嘴的高速射流,关于喷嘴内部流道型线影响的研究还未见发表。

　　本文根据可压缩的二维轴对称的N—S方程,利用有限体积法对收缩喷嘴的自由射流进行数值模拟。通过对不同流道型线的喷嘴射流的数值模拟,根据射流速度和压力分布计算结果的比较,研究喷嘴内部流道型线对射流流场的气体动特性参数的影响。有关计算结果与实验吻合的比较一致。

　　网格的划分采用非结构性网格。在结构网格中,网格点总是分布在某种坐标变换后的坐标线上,在拓扑上是规范的(个别变换的奇点除外),而非结构网格则不要求拓扑上的规范性。非结构网格的网格点在空间的分布比较自由,不要求每个网格点具有相同数量的邻点,每个网格点参与构成的单元数量也可以互不相同,网格点之间的连接不再具有方向性。在非结构网格划分中没有网格线的概念,因而能够更为有效的适应形状不规则,弯曲边界的复杂领域,以及依据不同的分辨率要求,分配求解域内的网格。

　　2 控制方程与湍流模式

　　可压缩的二维轴对称流动满足如下的积分形式(N—S方程):

　　上式中,Ω是控制体,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。W、F、G和H的具体定义见参考文献[5]。

　　采用二阶精度的有限体积法对控制方程进行空间离散[6]。时间离散采用Gauss_Seidel隐式迭代[7]。

　　由于标准的k_E二方程湍流模式在描述轴对称射流时有较大的偏差,本文在大量数值实验的基础上,根据不同的流动状况,在亚声速时采用了RNG k_ε二方程模型,超声速时采用S—A一方程模型。