高压除磷喷嘴喷射流场数值模拟与试验分析

　　1 引言

　　目前对喷嘴内部流场研究较多，而高压除鳞喷嘴外部喷射流场是亚声速气液两相流稀相流状态，目前还缺乏深入研究。因此，应用数值模拟方法对喷嘴喷射流场的压力和速度分布规律及系统压力和靶距对喷射流场和打击力的影响进行了仿真与试验研究。

　　2 喷嘴结构及参数

　　喷嘴结构，如图1 所示。其主要参数为：入口收缩角α=60°，喷嘴直径d=2mm 和出口扩张角θ=36°

　　3 仿真模型的建立

　　3.1 控制方程

　　由于喷嘴外部是气液两相亚声速湍流流场，故选用非稳态的连续方程和 Navier-Stoke 时均方程作为控制方程，采用标准k-ε两方程模型建立封闭控制方程组。

　　3.1.1 连续方程

　　3.1.2 动量方程

　　式中：ρ—密度;u、v 和 w—速度矢量在 x、y 和 z 方向的分量;μ—动力黏度;S—动量守恒方程的广义源项。

　　3.1.3 标准两方程

　　式中：GK—由层流速度梯度而产生的湍流动能;G

　　b—由浮力产生的湍流能;Y

　　M—在可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动;

　　Sk和Sε—用户定义的源项;

　　C1z、C2z和 C3z—经验常数;值分别为：1.44，1.92，0.09σk—湍动能 k 对应的 Prandtl 数，且σk=1.0;

　　σε—耗散率对应的 Prandtl 数，且 σε=1.3。

　　3.2 喷嘴喷射流场仿真模型的建立

　　为了研究射流离开喷嘴进入空气中的水气两相流流场，采取6mm

　　式中：GK—由层流速度梯度而产生的湍流动能;

　　Gb—由浮力产生的湍流能;

　　YM—在可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动;

　　Sk和 Sε—用户定义的源项;

　　C1z、C2z和 C3z—经验常数;

　　值分别为：1.44，1.92，0.09σk—湍动能k 对应的 Prandtl 数，且 σk=1.0;

　　σε—耗散率对应的 Prandtl 数，且 σε=1.3。

　　3.2 喷嘴喷射流场仿真模型的建立

　　为了研究射流离开喷嘴进入空气中的水气两相流流场，采取6mm在喷嘴模型的下方连接一个相对较大的立方体区域作为喷嘴的喷射流场，取其长度和宽度均为 250mm，高度为 500mm。模型网格类型选用TGrid，采用 Tet/Hybrid 网格单元划分，网格间距为0.2，共生成 27202 个节点。喷射流场网格模型，如图2 所示。

　　3.3 边界条件和数值处理方法

　　将整个流场网格模型导入 Fluent 软件，选择非稳态离散求解器，湍流模型选用标准k-ε 两方程模型。射流介质选液态水，选择 Vof 两相流模型，定义空气为基本相，水为第二相。入口采用压力边界条件，压力为 20Mpa，并设置水的体积分数为 1，即入口处全为水;立方体四周各面也采用压力边界条件，压力为一个大气压，并设置水的体积分数为 0，即出口处全为空气;立方体底面即流场出口定义为自由出流边界;喷嘴内壁定义为 wal(l固壁)类型，采用无滑移边界条件。在求解控制中，采用有限体积法对喷嘴外部射流流场进行数值模拟，并选用Piso 算法对流体压力和速度进行耦合，采用二阶迎风离散格式对各控制方程进行数值求解。