Fluent有限元软件在空化喷嘴内部流场的仿真与应用

 引言

 一般来讲空化作用是有害的，但是如果人为地在液体射流流束内产生许多空泡，利用空泡破裂所产生的强大冲击力来增强射流的作用效果，就形成了所谓的空化射流。

 在空化泡溃灭的极短时间内，空化泡及其周围极小空间范围内出现热点，局部产生高达1900～5200K的高温和超过50Mpa的高压环境，温度变化速率高达107K／s，并伴有强烈的冲击波和时速高达400km／h的微射流，在这些极端条件下污水中的有机物在空化核内发生自由基反应，化学键断裂或高温裂解反应等，从而使难降解高分子有机物转化为小分子的有机物或相应的无机物。从而达到污泥处理的目的。

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 今天，有限元科技小编跟大家分享的是：Fluent有限软件在空化喷嘴内部流场的仿真与应用。

1模型建立

 1.1几何模型

 所研究空化喷嘴的几何示意图如图1所示。

（1）组合空化喷嘴              （2）风琴管喷嘴

（3）氦姆霍兹喷嘴                    （4）角型喷嘴

图1四种空化喷嘴几何模型

 1.2数学模型

 对模型进行物理简化之后，www.featech.com.cn从数学的角度建立控制方程组，并将其离散化、线性化以进行迭代求解。

 本计算模型包括基本的流动问题、湍流问题。在定常条件下，流动可以用以下方程描述：

 （1）连续性方程

 diν(ρU）=0

 （2）动量守恒方程(即N-S雷诺应力平均方程)

 （3）k-ε湍流方程

 其中，ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；P为压力，Pa；ν为动力粘度，Pa.s；v为速度分量，m/s。

 1.3边界条件

（1）进口边界条件为压力入口，入口压力为5MPa。

（2）出口边界条件设为压力出口，给定表被压值。

（3）其他静止壁面则采用固定壁面边界。

 2、流场模拟结果及分析

 2.1速度场分布

 四种喷嘴内部任一横截面上的速度分布呈现轴线上的速度最高，随着径向距离的增大速度逐渐减小，速度分布具有自模性，喷嘴内部总体上在喉部收缩段速度达到最大值。www.featech.com.cn其中氦姆霍兹喷嘴在氦姆霍兹谐振腔内具有明显的涡流现象，而同样具有氦姆霍兹谐振腔的组合空化喷嘴，由于喷嘴前部为收缩流道使得在氦姆霍兹谐振腔内没有涡流现象，这是由于组合空化喷嘴上部收缩流道作用的结果。通过角形喷嘴产生的空化射流在喷嘴的扩张段射流急剧扩散，这将使得在接近空化喷嘴出口处的流体具有较好的空化作用效果。

图2四种空化喷嘴内部速度分布

 2.2压力场分布

 图3是四种空化喷入口到出口随着喷嘴内部压强逐渐减小，在喷嘴喉部最小直径处压强达到极小值，这为嘴内部压力分布云图，从整体上看从喷嘴内部流道直径的减小空化初生和空泡的发展创造了条件。当流场中的最小压力小于等于液体当地温度下的饱和蒸气压时，将直接因为压力的作用在液体中产生空化现象；当喷嘴内部流场没有低于饱和蒸气压的压力点时，由经典的空化理论可知，可通过利用空化数考察流场内压力和流速的关系进行判断。

图3四种空化喷嘴内部压力分布

 2.3空化汽含率分布

 图4是四种空化喷嘴汽含率率分布云图，可以看出，流体经过收缩吼道以后均不同程度的产生空化现象，靠近壁面附近的空泡云尤为明显，这与AkiraSou等人通过数字照相机观察记录的二维喷嘴内的空泡云现象相同，在一定条件下均会在喷嘴入口处靠近喷嘴壁面附近开始出现空泡云，且同一喷嘴在不同流速条件下对应的空泡云大小不同，证明设计的四种喷嘴在给定的工作条件下均能有效的触发空化反应，且建立的数值模拟方法具有一定的可信性。从散点图中还可以看出，喷嘴结构对流场内的汽含率分布有较大影响，风琴管喷嘴的汽含率分布最为集中，角形喷嘴的汽含率分布的分散性最好。

图4（1）组合空化喷嘴内部汽含率分布云图和散点图

图4（2）风琴管喷嘴内部汽含率分布云图和散点图

图4（3）氦姆霍兹喷嘴内部汽含率分布云图和散点图

图4（4）角型喷嘴内部汽含率分布云图和散点图

图4四种空化喷嘴内部汽含率分布云图和散点图

 3、结论

 利用Fluent软件对设计的空化喷嘴在拟定的实验条件下进行了数值模拟研究，数值模拟结果与实验结果能够很好的吻合，证明本文建立的在N-S方程的基础上建立流动模型，选用混合模型结合基于密度变量的空化模型和标准k-ε模型，对二维空化射流喷嘴内部流场进行模拟的数值计算方法具有较高的可信性；分析了四种空化喷嘴内部的压力场、速度场和汽含率的分布规律，以汽含率为评价参数对适宜该技术研究应用的空化喷嘴结构进行了初步优选，结果表明组合空化喷嘴更适合用于后续的实验研究。

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