等壓式割嘴的結(jié)構(gòu)優(yōu)化畢業(yè)論文(編輯修改稿)
2025-07-22 03:50 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 產(chǎn)生；可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響；和是常數(shù)；，分別是湍動(dòng)能及其耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)。在Fluent中，作為默認(rèn)值常數(shù)，,。該模型適合的流動(dòng)類型比較廣泛，包括有旋均勻剪切流，自由流（射流和混合層），腔道流動(dòng)和邊界層流動(dòng)。對(duì)以上流動(dòng)過程模擬結(jié)果都比標(biāo)準(zhǔn)模型的結(jié)果好，特別是可實(shí)現(xiàn)模型對(duì)圓口射流和平板射流模擬中，能給出較好的射流擴(kuò)張角。湍流粘性系數(shù)公式為 ，這和標(biāo)準(zhǔn)模型相同。不同的是，在可實(shí)現(xiàn)模型中，不再是個(gè)常數(shù)，而是如下公式計(jì)算： （2）組分輸運(yùn)模型 其中： —每個(gè)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；—自定義源項(xiàng)；—濃度梯度引起的擴(kuò)散通量；—化學(xué)反應(yīng)的凈產(chǎn)生率。 液相霧化模型 （1）噴霧模型（wave模型）空氣輔助霧化模型中，液體通過噴座的作用形成液膜，空氣則直接沖擊液膜以加速液膜的破碎。一般的看法是，輔助空氣加劇了液膜的不穩(wěn)定性，同時(shí)空氣有助于液滴的分散，防止液滴的碰撞。Wave模型認(rèn)為氣一夜之間的速度差造成了射流霧滴的破碎，這正適合所研究的等壓式割嘴。因此，選擇波動(dòng)破碎模型描述液相的離散。波動(dòng)模型： 式中：離散過程中產(chǎn)生的波長(zhǎng)，m。We—韋伯?dāng)?shù)。Ta—泰勒數(shù)；Oh—昂賽格數(shù)；液滴半徑： 式中： —模型常數(shù)。噴霧過程中液滴半徑變化率： 式中：a—液滴半徑，m。 液滴破碎時(shí)間： 式中：—破碎時(shí)間常數(shù)，取30；Ω—波長(zhǎng)增長(zhǎng)率； （2）顆粒隨即軌道模型顆粒隨機(jī)軌道模型能夠給出顆粒速度、濃度場(chǎng)及顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡。隨機(jī)軌道模型建立在瞬態(tài)顆粒動(dòng)量方程的基礎(chǔ)上。 式中：是顆粒的順勢(shì)軸向、徑向及切向速度；分別是氣體在三個(gè)方向上的平均和脈動(dòng)速度；假設(shè)湍流是各向同性及局部均勻的，且隨機(jī)速度分布滿足Gaussian PDF統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，氣體速度的隨機(jī)取樣為： （ξ=0，1，2，3...）將u，v，w方程代入上述各方程來計(jì)算 ， 顆粒與隨機(jī)渦的相互作用時(shí)間可取為： 為實(shí)現(xiàn)流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算，還必須對(duì)控制方程適當(dāng)?shù)碾x散。目前常用的離散方法有：有限差分法、有限體積法、有限解析法和有限元法等。近年來有限體積法應(yīng)用最為廣泛它的基本思路是：將計(jì)算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個(gè)網(wǎng)格定周圍有一個(gè)互不重復(fù)的控制體積；將待解微分方程對(duì)每個(gè)控制體積積分，從而得出一組離散方程。 利用有限體積法得到的控制方程的離散格式通用形式為：=+b下標(biāo)nb表示相鄰節(jié)點(diǎn)。 本章小結(jié)本章中主要對(duì)所研究的等壓式割嘴建立了幾何模型和數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)地表達(dá)了幾何模型計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格以及數(shù)學(xué)模型的解法，并且對(duì)整個(gè)的數(shù)值計(jì)算過程進(jìn)行了介紹，這一系統(tǒng)的工作都是為后續(xù)的數(shù)值模擬打下基礎(chǔ)。根據(jù)所研究的割嘴特點(diǎn)，選擇割嘴的氣孔、混合孔以及割嘴下游200mm的區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域，為加速計(jì)算的收斂，將割嘴部分用局部加密的四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，將噴霧區(qū)域用六面體網(wǎng)格進(jìn)行粗化劃分；確定數(shù)值模擬的具體過程，首先計(jì)算氣相流場(chǎng)，然后將液相加入，進(jìn)行耦合計(jì)算，最終得到所要的噴霧場(chǎng)。 3 等壓式割嘴的模型及基本參數(shù)液體的霧化過程就是把大塊液體分離成小液滴。自1878年瑞利提出射流的不穩(wěn)定理論來解釋液滴的分裂破碎以來，曾有許多研究人員對(duì)此進(jìn)行廣泛的實(shí)驗(yàn)研究。 液體碰撞模型液體碰撞模型假定碰撞發(fā)生的頻率遠(yuǎn)小于計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)。如果時(shí)間步長(zhǎng)太長(zhǎng)，計(jì)算結(jié)果將依賴于此時(shí)間步長(zhǎng)，用戶必須相應(yīng)的調(diào)整顆粒的長(zhǎng)度標(biāo)尺。此外，此模型比較適合于低韋伯?dāng)?shù)碰撞，在這種情況下碰撞的結(jié)果是合并或反彈，而當(dāng)韋伯?dāng)?shù)大于100時(shí)，碰撞引起液滴破碎。 O’Rourke用碰撞體積的概念計(jì)算液體碰撞的概率，此方法計(jì)算小液滴在碰撞體積內(nèi)的概率，而不是看是否小液滴軌跡中心線的位置在碰撞體積內(nèi)。小液滴在碰撞體積內(nèi)被發(fā)現(xiàn)的概率為： O’Rourke的理論，碰撞次數(shù)的概率服從泊松分布： Fluent提供了兩種霧滴破碎模型：泰勒比破碎（TAB）模型和波動(dòng)（WAVE）破碎模型。TAB模型適用于低韋伯?dāng)?shù)射流霧化以及低速射流進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空氣中的情況。對(duì)于韋伯?dāng)?shù)大于100的情況，波動(dòng)模型適應(yīng)性較好，在低速燃料射流霧化中，波動(dòng)模型適用廣泛。Taylor用研究質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的方法類比的研究液滴破碎問題，稱為Taylor類比破碎模型（Taylor analogy breakup model），簡(jiǎn)稱TAB模型。設(shè)油滴直徑為a，在各種外力的作用下發(fā)生振動(dòng)，振幅為x，若xa，則認(rèn)為油滴破碎。Wave破碎模型是1995年Hwang和Reitz提出的，此模型認(rèn)為氣液之間的速度差造成了射流霧滴的破碎，是用于高速射流霧化。球形液滴在垂直方向氣流的作用下變成扁平形，然后在RayleighTaylor(RT)不穩(wěn)定表面波的作用下，加速油滴扁平形化，并分裂出一些大尺度碎片，然后再更短波長(zhǎng)的KelvinHelmholtz(KH)不穩(wěn)定表面波作用下，把大尺度碎片割成絲狀，然后生成更細(xì)的油滴，油滴群的集合體，即為油束。KH動(dòng)態(tài)模型的描述如下： 其中，為昂賽格數(shù)，泰勒數(shù)，分別為液體和氣體的韋伯?dāng)?shù)；為雷諾數(shù)。液滴破碎半徑與快增長(zhǎng)的表面波的波長(zhǎng)關(guān)系為：液滴半徑變化率：液滴破碎時(shí)間為模型常數(shù)，為破碎時(shí)間常數(shù)，不同的研究者給出不同值，（Retiz，1987），（O’Rourke and Amsden，1987），（Patterson，1994），（Xin，1998）。 等壓式割嘴數(shù)值計(jì)算基本參數(shù)設(shè)置 參數(shù)設(shè)置前的準(zhǔn)備工作 （1）液相（水）流量、計(jì)算它們?cè)诓煌母钭爝\(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸下，經(jīng)過等壓式割嘴以后的霧化效果情況。 （2）空氣的入口條件文中對(duì)空氣入口采用壓力邊界條件，~。確定噴孔出口噴油平均速度式中： —割嘴內(nèi)油壓降； —油密度， （3）等壓式割嘴氣流出口速度等壓式割嘴的氣流出口、進(jìn)口壓力比一般大于臨界壓力比，故氣流的出口等于音速。臨界速度公式為：式中： —?dú)饬鬟M(jìn)口壓力，（Pa） —?dú)饬鞅热荨? Fluent不管你在創(chuàng)建時(shí)用的什么單位，只要被讀入，均假定是以m為單位，所以在導(dǎo)入網(wǎng)格文件時(shí)，必須注意按當(dāng)前設(shè)定的單位對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行縮放處理，以保證其幾何尺寸的有效性。操作：Display→Grid.. 設(shè)置對(duì)話框如圖31所示。圖31 網(wǎng)格顯示對(duì)話框打開網(wǎng)格顯示對(duì)話框后，點(diǎn)擊Display，便可得到網(wǎng)格。網(wǎng)格如圖32所示：圖32 整體網(wǎng)格 （1）求解器的選擇在準(zhǔn)備好網(wǎng)格后，就需要確定采用什么樣的求解器及采用什么樣的工作模式。Fluent提供了分離式和耦合式兩類求解器，而耦合式求解器又分為隱式和顯式兩種。分離式求解器以前主要用于不可壓縮和微可壓流動(dòng)，而耦合式求解器用于高速可壓流動(dòng)?，F(xiàn)在，兩種求解器都是用于從不可壓縮到高速可壓的很大范圍的流動(dòng)，但總的來說，當(dāng)計(jì)算高速可壓流動(dòng)時(shí)，耦合式求解器比分離式求解器更有優(yōu)勢(shì)。耦合式求解器因?yàn)轳詈狭肆鲃?dòng)和能量方程，常常很快便可以收斂。另外，在分離式求解器中提供的幾個(gè)物理模型，在耦合式求解器中沒有。鑒于上述條件，結(jié)合作者所使用的的計(jì)算機(jī)配置，在不影響運(yùn)算結(jié)果的前提下，為提高效率，選擇分離式求解器。 （2）計(jì)算模式選擇根據(jù)割嘴的空間幾何特性，在Space選項(xiàng)中選擇3D（三維）。因?yàn)橛?jì)算中采用了兩大步：一，計(jì)算連續(xù)相（壓縮空氣）流場(chǎng)；二，在空氣流
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