异形喷嘴内部流场的可视化研究

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异形喷嘴是指喷孔形状为非圆形的喷嘴。由于其特殊的几何形状，因此存在不同的射流特性 。

研究人员发现，异形喷嘴能够降低喷头工作压力，改善喷嘴的水力性能，且具有多变的射流形状、易于调控的射流强度以及更有效的射流面积，所以这类喷嘴应用于某些诚时的性能优于普通喷嘴。

根据压力条件的不同，异形喷嘴可分为低压和高压2种类型，不同的压力对于异形喷嘴的流量、输出功率、射流的水力分布等有不同的影响。在 1～10MPa的低压状况下，异形喷嘴的射流能以多变的结构产生多变的射流形状，且能产生较好的雾化效果。

随着技术和工艺的发展，异形喷嘴的工作压力也有不同程度地提高，甚至可达到1O-30 MPa的高压范围。高压喷嘴适用的压力范围-般为10～100 MPa。研究结果表明，美国AQUA.DYNE公司所生产的Rankin-Shape Jets的高压异形喷嘴能提高水射流的集束性能，这类射流的共性是以具有锐边的平面防止空气卷裹射流，因此，在较大靶距下射流能保持较好的凝聚性，且具有优越的工作效率 叫 。

异形喷嘴在工业清洗、农林灌溉、切割、水力钻孔等领域被广泛应用，如螺旋锥形喷嘴，其射流截面形状是2个同心圆，被广泛应用于烟气脱硫除收稿 日期 ：2012-08-03作者简介 ：左海宁 (1984-)，湖南邵东人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为高效射流理论及应用，E-mail：357305915###qq.com湖 南 业 大 学 学 报 2013年尘、废气处理、防火灭火 、塔器清洗等方面。异形喷嘴具有较好的雾化性能，可应用于农林业的喷淋浇灌 、杀虫剂喷洒、过热设备喷水降温等方面；还能提高喷嘴的射流性能，改善工作质量，节约能源。

为了分析圆形喷嘴与2种异形喷嘴 (正方形和正 角形 )的射流特性，本文运用Fluent软件对这3种喷嘴的内流厨行仿真，分析其在不同压力条件下对喷嘴内流场的影响，从而分析其射流特性，为异形喷嘴在1 程中的应用提供-定的理论依据。

1 建立模型1.1 设计喷嘴本文设计了3种喷嘴模型，其喷孑L形状分别为正方形、正j角形和网形。由于影响喷嘴流场的参数有收缩角 、长径比、出口面积及出口形状等 ，因此，在仿真计算中，为了减少-些因素的影响，设置喷嘴的长径比均为 5，出口的收缩系数等于 1，由于考虑 了异形喷嘴 的加 I T艺 和模 拟 的可 比性 ，喷嘴流道采用平行流道，即入口角/出口角l。根据相同压力下保持圆形喷嘴和异形喷嘴出口而积相同原则，设计3种喷嘴的尺寸为A ：A口A ，通过计算得到2种异形喷嘴的边长分别为：a 1.73 mm，a..1.14mm，圆形喷嘴的直径d，、1.14mm 。3种喷嘴的长度为 17 mm，入口截面 ：8 mm 3种喷嘴结构如图 l所示。

1 3 nlm- 十6 5 mm l 10 5 mflla)喷嘴截面 b)圆形喷嘴c) 厅形喷嘴 d) 角形喷嘴图 1 3种喷嘴结构图Fig.1 The structure of three kinds of nozzle1.2 建立数学模型通过计算喷嘴的雷诺数可知，喷嘴的流场处于高湍流状态，因此，3种喷嘴采用标准的k-双方程湍流模型。该模型是在湍流动能方程的基础上引入湍流耗散率 ，于 1972年由Launder和Spalding提出。

该模型的输出方程 为 ：8t ： O- ] . lI I ，lG Gh-pc-y”S ， O-卧 af ， ，lI J ，IClj 1 GkC3fG b1C2Lp-S式中：k是湍流动能；G 平均速度梯度引起的湍流动能产牛项 ；G 由浮力引起的湍流动能J ：乍项 ；y 是可压缩湍流中脉动膨胀埘总耗散率的影响；， S 为用户白定义源项 ；C ，C ，C 为绛验常数，j 值分别为c， 1.44， 1.92，C3 ：0.09；，仃 分别为湍流动能和湍动耗散半对应的普朗特常数，其值分别为 1.0， l31.3 设定边界条件根据异形喷嘴的射流特点，似波射流为小町缩黏性流体的定常流动，其介质视为均质流，喷嘴的流入介质为水，具密度为998.2 kg/m ；喷嘴占l体肇面设定为无滑移绝热罐而，近擘区采Hj标准肇面函数法处理 ；喷嘴入口处的边界条件为r J入 口条件(pressure-inlet)；喷嘴 门处边 条件为 力出n条件 (pressure-outlet)；不汁重力影响；求解器采用力速度耦合算法；离散格式采用 -阶迎风格式；其它参数为默认值1.4划分网格运用ANSYS软件中ICEM拈对3种喷嘴的-维实体进行六 体 格划分 网格质舒均在0.7以f ，无负体积产牛。3种喷嘴的 维实体网格如 2所示a)网形喷嘴- 第1期 左海宁，等 异形喷嘴内部流场的可视化研究 47从上面这些图可以看出，喷嘴出口的形状对喷嘴的喷射速度场影响较大。在图5中，圆形流道喷嘴出口的速度呈现由壁面向中心轴逐渐递增，为规则的圆环形，不同入口压力下速度分布变化不明显；在图6中，正方形流道喷嘴随人口压力的不断增大，喷射速度分布逐渐集于几何中心，且出口压力分布趋于圆形，轴心速度逐渐变小；在图7中，正三角形流道喷嘴的出口速度呈现近似三角的环形分布，随人口压力的增加，轴心速度逐渐变小，其分布也趋于倒 二：角形。

3 结论利用Fluent软件分别对圆形、正方形和正三角形喷嘴内的速度厨行仿真计算，实现了可视化数值仿真模拟，为异形喷嘴的应用和研究提供了-定的参考依据。

1)在入口压力-定的条件下，通过对3种喷嘴的内流场的模拟分析可知，正三角形喷嘴流量最大，正方形喷嘴其次，圆形喷嘴最小，且 3种喷嘴的速度均呈现由几何中心向壁面衰减。

2)正三角形和正方形流道喷嘴随人口压力的增加，流体沿轴线附近速度衰减比圆形流道出口喷嘴衰减速度慢。随着入口压力的增加，正三角形喷嘴出口速度越大，轴心速度越集中，且速度分布也趋于倒三角形。