射流元件控制通道流动的三维数值模拟

    1　引　　言

    射流元件因可靠度高,能很好地适应核辐射、电磁干扰、腐蚀、振动、冲击、高温和低温等恶劣环境,被应用于航空航天、导弹和核工业等领域的某些控制系统。在影响射流元件性能的诸多因素中,控制流在控制口处的流量、速度分布及大小对射流元件的切换时间影响较大[1]。因此,合理地设计控制流通道、改善控制口处的流场,能提高射流元件的动态性能。

    本文所研究的对象为一种射流元件的控制通道,气流在该控制通道内的流动过程如下:气源→节流阀→圆柱摆阀→横向管道→斜置管道→连接段→扩散腔→控制口→射流元件。由于该控制通道流道形状复杂(见图1),且涉及到结构紧凑的多个部件,因此,难以通过试验手段研究控制通道内部的流场特性和流动规律。计算流体力学和计算机技术的发展,使得对复杂流动进行数值模拟成为可能。本文采用数值模拟方法对射流元件控制通道的流动机理进行研究,通过分析其流场特性和流动规律,提出流道结构参数的改进方案。

    2　数学模型

    由于采用稳压装置,可以使摆阀腔内的气压基本保持恒定,因此,从气源到摆阀之间的流动可以不予考虑。取摆阀至控制口之间的气体为控制体,忽略彻体力,并将壁面视为绝热壁面。

    2.1　控制方程

    在惯性坐标系中,该控制体的基本方程可表示如下

式中　ρ是流体密度,v是流体速度矢量,t是时间,是Hamilton算子。

式中　I是三阶单位张量;τ是粘性应力张量,定义为

τ=λ(·v)I+μ[v+ (v)T],其中μ是动力粘性系数,λ是第二粘性系数。

    Q。=-kT,k是热传导系数;T是流场温度。

    (4)状态方程:p=ρRT,R是气体常数(4)

    2.2　湍流模型

    气体从摆阀节流口进入横向管道和扩散腔后,管内流场的紊流度高,须使用紊流模型进行紊流模拟。本文采用RNGk-ε模型。

    (1)湍动能k的输运方程

    2.3　近壁区的处理

    由于壁面的影响,壁面和湍流区之间的近壁区的湍流脉动将受到抑制,使RNG k-ε模型必然会造成计算的困难和μt μ的不合理现象[2],因此,本文在近壁区采用两层分区模型来描述流场。

    令,y是计算网格单元到壁面的最短距离。Rey≥200时,按RNG k-ε模型计算;Rey< 200时,k的计算仍与RNG k-ε模型相同,ε和μt的计算如下:

    3　网格生成

    该控制通道由多个部件组成,通道内的流动复杂,气流既要通过摆阀阀芯与阀壁之间的细小缝隙,又要流入大尺寸的扩散腔,难以生成单域(贴体)网格。在本研究中,采用分区对接网格生成技术和网格融合技术。