高压喷嘴几何参数对流场影响的数值模拟分析

　　高粘度物料喷涂技术应用于石油、冶金、化工、建筑、航空及医疗领域,应用十分广泛。喷嘴是高粘度物料喷涂的执行元件,圆锥带圆柱出口型喷嘴是目前最常用的一种连续射流喷嘴。不同几何参数的喷嘴所产生射流流场的性能也是不一样的,在相同的物料特性、射流边界条件的前提下,要研究不同几何参数对圆喷嘴射流流场特性的影响,需要做大量的试验,工作量很大,试验过程复杂。考虑到设备调节、环境变化等因素,误差也难于控制,所以如果在一定的试验基础上,利用CFD软件模拟运算,就使数据分析也变得直观了。

　　Fluent软件是目前国际上最流行的商业流体流场计算分析软件之一,文中将Fluent应用于圆锥喷嘴树脂射流流场进行数值模拟,研究不同圆锥段收缩角α、喷嘴出口直径d、长径比L/d等对圆喷嘴射流流场速度衰减特性的影响。

　　1　研究思路

　　喷嘴的结构主要指影响喷嘴流场的几何尺寸。本文主要研究的喷嘴结构参数是:喷嘴入口直径D、喷嘴的收缩角α、出口直径d、压力P和长径比L/d。为了研究喷嘴各结构参数变化对喷嘴流场的影响,本文在相同的工况条件下,通过改变喷嘴某一结构参数来研究该参数对射流流场的影响,对不同结构的喷嘴进行了内、外部流场模拟计算。

　　2　几何模型的建立及边界条件的设置

　　首先在Fluent前处理软件Gambit中建立喷嘴二维物理模型,并对其内部流场进行网格划分,网格单元采用六面体网络(Tet/Hybrid)。设定收敛条件为1E-6。边界条件为:压力入口,压力出口。喷嘴内壁定义为Wall(固壁)类型,采用无滑移边界条件,射流介质为树脂,密度为2 600 kg/m3,运动粘度为2 m2/s。

　　把Gambit创建的模型导入Fluent后,首先要定义尺寸单位(本文为mm),然后检查网格,如果没有出现负网格,说明网格类型合适。接着,采用有限体积法对喷嘴内部流场进行数值模拟,喷嘴内部的流动状态假设为不可压缩稳态层流动,故选用二维Navier-Stokes方程作为控制方程,采用Laminar层流模型建立封闭控制方程组,并选用Simplec算法对流体压力和速度进行耦合,压力的插值选择Standard,为提高求解精度,降低扩散误差,采用二阶迎风离散格式对控制方程进行数值求解。

　　1)连续性方程

　　2)不可压缩实际流体的运动微分方程(即N-S方程)

　　3　流场仿真结果及分析

　　从图2~图4可以看出,起始段速度较小,还不到20 m/s,且速度变化量很小,当达到喷嘴收缩段时,射流速度增大十分明显,曲线斜率趋近于竖直,很短的距离内水流的内能迅速转化为动能,在收缩段末端,水流速度已经超过了120 m/s,在圆柱出口段水流速度依然很大。