基于Fluent的高压除鳞喷嘴湍流仿真模型

　　对于高压喷嘴、弯曲管道等结构中的复杂二维或三维单相黏性牛顿流体问题,可以利用Flu2ent等流体分析软件通过质量守恒、动量守恒和能量守恒方程求解,同时还可得到例如马赫数、压强系数、总压、流线函数、热流和热传导系数等许多导出结果。这些软件普遍提供了湍流模态方程,可用于模拟湍流的流动。本文利用流体分析软件Fluent对高压除鳞喷嘴内部湍流特性进行仿真。

　　高压喷嘴是除鳞设备的关键零部件。高压除鳞喷嘴喷口的形状、结构和布置方式对除鳞效果有着极大的影响,该系统的计算机仿真,能够在不影响实际物理系统的情况下,方便、精确地显示喷口附近的压力、流量、温度分布情况,以便于实现对喷嘴内部湍流特性的研究,为进一步节能、改善喷嘴形状和结构、提高使用效率、延长使用寿命提供合理的改造建议。

　　1　高压喷嘴喷射速度的数学模型

　　本文所仿真的喷嘴,出口直径为3.8 mm,喷嘴入口水压为20 MPa,出口水压为0.1 MPa,入口水流速不大于1 m/s,系统流量为100 L/min。由于喷嘴出口压力远远小于入口压力,在计算进出水口压差时,可以忽略不计。

　　喷嘴的出流量为[1]

　　式中:A1———喷嘴的出流截面积,mm2;Δp———喷嘴进出水口的压差,MPa;Cd———流量系数,Cd=0.6~0.8,本文取Cd=0.75;ρ———液体的密度,kg·m-3

　　喷嘴的出流速度为

　　2　Fluent仿真的实现

　　2.1　Fluent软件

　　Fluent是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导问题的专用CFD软件。它的软件设计基于“CFD计算机软件群的概念”,针对每一种流动问题的物理特点,采用适合于它的数值解法,可在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。Fluent提供了完全的网格灵活性,可以使用非结构网格,因而简化了几何外形的模拟以及网格产生过程。例如,对于二维问题,它可以生成三角形单元网格和四边形单元网格;对于三维问题,提供的网格单元包括有四面体、六面体、棱锥及杂交网格等,甚至可以用混合型非结构网格。它允许根据解的具体情况对网格进行修改(细化/粗化)。对于具有较大梯度的流动区域,Fluent提供的网格自适应特性可让用户在很高的精度下得到流场的解。

　　在Fluent中,解的计算与显示可以通过交互界面、菜单界面来完成。用户界面是通过Scheme语言及LISP dialect写就的,高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定义及优化界面。

　　使用Fluent时,一般用Gambit或者一个分离的CAD/CAE系统如Ansys,PRO/E等产生的几何结构模型及网格,然后导入Fluent[2]。在导入几何结构模型及网格就可以启动Fluent解算器了。Fluent包含了fluent 2d,fluent 3d,fluent2ddp和fluent 3ddp 4个版本的解算器,同时提供了分离解、隐式耦合解、显式耦合解3种不同的解格式。本文使用Gambit建立模型,采用了fluent3d解算器。