Fluent有限元軟件在空化噴嘴內(nèi)部流場的仿真與應(yīng)用

 引言

 一般來講空化作用是有害的，但是如果人為地在液體射流流束內(nèi)產(chǎn)生許多空泡，利用空泡破裂所產(chǎn)生的強大沖擊力來增強射流的作用效果，就形成了所謂的空化射流。

 在空化泡潰滅的極短時間內(nèi)，空化泡及其周圍極小空間范圍內(nèi)出現(xiàn)熱點，局部產(chǎn)生高達1900～5200K的高溫和超過50Mpa的高壓環(huán)境，溫度變化速率高達107K／s，并伴有強烈的沖擊波和時速高達400km／h的微射流，在這些極端條件下污水中的有機物在空化核內(nèi)發(fā)生自由基反應(yīng)，化學(xué)鍵斷裂或高溫裂解反應(yīng)等，從而使難降解高分子有機物轉(zhuǎn)化為小分子的有機物或相應(yīng)的無機物。從而達到污泥處理的目的。

 Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，凡是和流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法和強大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計、石油天然氣和渦輪機設(shè)計等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

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 今天，有限元科技小編跟大家分享的是：Fluent有限軟件在空化噴嘴內(nèi)部流場的仿真與應(yīng)用。

1模型建立

 1.1幾何模型

 所研究空化噴嘴的幾何示意圖如圖1所示。

（1）組合空化噴嘴              （2）風(fēng)琴管噴嘴

（3）氦姆霍茲噴嘴                    （4）角型噴嘴

圖1四種空化噴嘴幾何模型

 1.2數(shù)學(xué)模型

 對模型進行物理簡化之后，tyrp.net從數(shù)學(xué)的角度建立控制方程組，并將其離散化、線性化以進行迭代求解。

 本計算模型包括基本的流動問題、湍流問題。在定常條件下，流動可以用以下方程描述：

 （1）連續(xù)性方程

 diν(ρU）=0

 （2）動量守恒方程(即N-S雷諾應(yīng)力平均方程)

 （3）k-ε湍流方程

 其中，ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；P為壓力，Pa；ν為動力粘度，Pa.s；v為速度分量，m/s。

 1.3邊界條件

（1）進口邊界條件為壓力入口，入口壓力為5MPa。

（2）出口邊界條件設(shè)為壓力出口，給定表被壓值。

（3）其他靜止壁面則采用固定壁面邊界。

 2、流場模擬結(jié)果及分析

 2.1速度場分布

 四種噴嘴內(nèi)部任一橫截面上的速度分布呈現(xiàn)軸線上的速度最高，隨著徑向距離的增大速度逐漸減小，速度分布具有自模性，噴嘴內(nèi)部總體上在喉部收縮段速度達到最大值。tyrp.net其中氦姆霍茲噴嘴在氦姆霍茲諧振腔內(nèi)具有明顯的渦流現(xiàn)象，而同樣具有氦姆霍茲諧振腔的組合空化噴嘴，由于噴嘴前部為收縮流道使得在氦姆霍茲諧振腔內(nèi)沒有渦流現(xiàn)象，這是由于組合空化噴嘴上部收縮流道作用的結(jié)果。通過角形噴嘴產(chǎn)生的空化射流在噴嘴的擴張段射流急劇擴散，這將使得在接近空化噴嘴出口處的流體具有較好的空化作用效果。

圖2四種空化噴嘴內(nèi)部速度分布

 2.2壓力場分布

 圖3是四種空化噴入口到出口隨著噴嘴內(nèi)部壓強逐漸減小，在噴嘴喉部最小直徑處壓強達到極小值，這為嘴內(nèi)部壓力分布云圖，從整體上看從噴嘴內(nèi)部流道直徑的減小空化初生和空泡的發(fā)展創(chuàng)造了條件。當(dāng)流場中的最小壓力小于等于液體當(dāng)?shù)販囟认碌娘柡驼魵鈮簳r，將直接因為壓力的作用在液體中產(chǎn)生空化現(xiàn)象；當(dāng)噴嘴內(nèi)部流場沒有低于飽和蒸氣壓的壓力點時，由經(jīng)典的空化理論可知，可通過利用空化數(shù)考察流場內(nèi)壓力和流速的關(guān)系進行判斷。

圖3四種空化噴嘴內(nèi)部壓力分布

 2.3空化汽含率分布

 圖4是四種空化噴嘴汽含率率分布云圖，可以看出，流體經(jīng)過收縮吼道以后均不同程度的產(chǎn)生空化現(xiàn)象，靠近壁面附近的空泡云尤為明顯，這與AkiraSou等人通過數(shù)字照相機觀察記錄的二維噴嘴內(nèi)的空泡云現(xiàn)象相同，在一定條件下均會在噴嘴入口處靠近噴嘴壁面附近開始出現(xiàn)空泡云，且同一噴嘴在不同流速條件下對應(yīng)的空泡云大小不同，證明設(shè)計的四種噴嘴在給定的工作條件下均能有效的觸發(fā)空化反應(yīng)，且建立的數(shù)值模擬方法具有一定的可信性。從散點圖中還可以看出，噴嘴結(jié)構(gòu)對流場內(nèi)的汽含率分布有較大影響，風(fēng)琴管噴嘴的汽含率分布最為集中，角形噴嘴的汽含率分布的分散性最好。

圖4（1）組合空化噴嘴內(nèi)部汽含率分布云圖和散點圖

圖4（2）風(fēng)琴管噴嘴內(nèi)部汽含率分布云圖和散點圖

圖4（3）氦姆霍茲噴嘴內(nèi)部汽含率分布云圖和散點圖

圖4（4）角型噴嘴內(nèi)部汽含率分布云圖和散點圖

圖4四種空化噴嘴內(nèi)部汽含率分布云圖和散點圖

 3、結(jié)論

 利用Fluent軟件對設(shè)計的空化噴嘴在擬定的實驗條件下進行了數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果能夠很好的吻合，證明本文建立的在N-S方程的基礎(chǔ)上建立流動模型，選用混合模型結(jié)合基于密度變量的空化模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，對二維空化射流噴嘴內(nèi)部流場進行模擬的數(shù)值計算方法具有較高的可信性；分析了四種空化噴嘴內(nèi)部的壓力場、速度場和汽含率的分布規(guī)律，以汽含率為評價參數(shù)對適宜該技術(shù)研究應(yīng)用的空化噴嘴結(jié)構(gòu)進行了初步優(yōu)選，結(jié)果表明組合空化噴嘴更適合用于后續(xù)的實驗研究。

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