畢方淇 ， 董 曉

（淄博市農業(yè)機械研究所，山東 淄博 255038）

拉瓦爾噴管廣泛應用在農機、航空、武器、噴涂、粉末或霧滴發(fā)生器中[1-2]。但某些工況下，由于拉瓦爾噴管尺寸較小，其內部流動不宜觀測，采用Fluent等仿真軟件對其進行研究成為重要方式之一。

胡峰源等[3]發(fā)現(xiàn)，通入脈沖氣流的拉瓦爾噴管長袋清灰效果更佳。戰(zhàn)仁軍等[4]研究發(fā)現(xiàn)脈沖拉瓦爾型噴嘴在霧化效果和射程上都能達到很好的效果。但兩者均未對脈沖工況下拉瓦爾噴管擴張段流動特性分析研究。

本文對通入脈沖氣流的拉瓦爾噴管仿真，嘗試獲得在脈沖工況下拉瓦爾噴嘴擴張段流動特性。

1 理論模型

拉瓦爾噴嘴內流動可視為一維等熵流動，流動過程中滿足絕熱和無摩擦條件[5]。

二維軸對稱積分形式的可壓縮非定常 Navier-Stokes方程：

式中：U為守恒變量；（FC,GC）和（FV,GV）分別為對流通量和黏性通量；H為軸對稱幾何源項。

2 網格模型

采用維托辛思曲線建立收縮段，SolidWorks建立幾何模型，導入icem網格劃分，塊拓撲結構如圖1所示。

圖1 幾何模型圖

采用軸對稱模型，其中A為入口，截面積5 600mm2；最小截面面積400mm2；B為出口；C為對稱軸；總長465mm，總高97mm。

邊界層首層尺寸0.1mm，比率1.2。網格生成后局部如圖2所示。合計47 200單元。

3 仿真模擬

采用Fluent對該模型進行仿真。

湍流模型采用Realizable k-e，增強壁面；材料為空氣，密度為Ideal，黏度為Sutherland；UDF如下。

圖2 網格局部圖

邊界條件中，圖1中C為對稱軸，A為壓力入口，總壓T_p，超聲壓力S_p；B為壓力出口；采用Coupled耦合算法。

標準加載，計算步長5e-5s，步數(shù)1 500步。

之后在模型中設置四個監(jiān)測點，位置在距離軸線5mm位置，P1在截面最小處，P2-4分別在P1右側19mm、38mm、98mm處。

4 結果分析

分別選擇某個時間點和監(jiān)測點的時間歷程曲線進行分析，分析以上幾點在一個脈沖周期內的馬赫數(shù)變化。

5e-3s時，模型局部速度如圖3所示。

圖3 模型整體及局部速度云圖

根據(jù)圖3，發(fā)現(xiàn)當入口采用脈沖壓力時，拉瓦爾噴管擴張段會出現(xiàn)多重堆疊的壓力波，外側形成了一個邊界不斷變化的激波。

各點速度時程曲線如圖4所示。

圖4 各點速度時程曲線

分析發(fā)現(xiàn)，P1處速度較穩(wěn)定，保持在音速附近，在兩周期脈沖切換時間點，速度波動較??；P2處速度反復波動，在兩脈沖周期切換時間點，速度會發(fā)生突變；這也解釋了圖3中激波左部出現(xiàn)大量重合壓力波現(xiàn)象。P3、P4兩點壓力波動基本與入口處壓力波動吻合，但是在波峰位置額外出現(xiàn)大量小幅震蕩。

5 結論

通過對拉瓦爾噴管進行脈沖入口瞬態(tài)仿真，得出以下結論：

1)當入口壓力變化時，噴管擴張段會出現(xiàn)多重堆疊的壓力波，外側形成了一個邊界不斷變化的激波。

2)當入口壓力變化時，擴張段及之后速度隨之發(fā)生震蕩，這種震蕩主要發(fā)生在脈沖的波峰段。

3)離開噴管后的氣體也會在一定范圍內保持周期性的速度變化，并對外部產生一定的周期性沖擊。