异形喷嘴内部流场的可视化研究

左海宁，白 璐，周家日，蔡书鹏

（湖南工业大学 机械工程学院，湖南 株洲 412007）

0 引言

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[1-2]。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场合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1～10 MPa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10～30 MPa的高压范围。高压喷嘴适用的压力范围一般为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[3-4]。

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（正方形和正三角形）的射流特性，本文运用Fluent软件对这3种喷嘴的内流场进行仿真，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，为异形喷嘴在工程中的应用提供一定的理论依据。

1 建立模型

1.1 设计喷嘴

本文设计了3种喷嘴模型，其喷孔形状分别为正方形、正三角形和圆形。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，为了减少一些因素的影响，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工工艺和模拟的可比性，喷嘴流道采用平行流道，即入口角/出口角=1。根据相同压力下保持圆形喷嘴和异形喷嘴出口面积相同原则，设计3种喷嘴的尺寸为AΔ=A□=A○，通过计算得到2种异形喷嘴的边长分别为：aΔ=1.73 mm，a□=1.14 mm，圆形喷嘴的直径d○=1.14 mm[5]。3种喷嘴的长度为17 mm，入口截面=8 mm。3种喷嘴结构如图1所示。

图1 3种喷嘴结构图Fig.1 The structure of three kinds of nozzle

1.2 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-ε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ε，于1972年由Launder和Spalding提出。该模型的输出方程为[6-7]：

式中：k是湍流动能；

Gk由平均速度梯度引起的湍流动能产生项；

Gb由浮力引起的湍流动能产生项；

YM是可压缩湍流中脉动膨胀对总耗散率的影响；

Sk,Sε为用户自定义源项；

C1ε,C2ε,C3ε为经验常数，其值分别为C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09 ；

k,ε分别为湍流动能和湍动耗散率对应的普朗特常数，其值分别为k=1.0,ε=1.3。

1.3 设定边界条件

根据异形喷嘴的射流特点，假设射流为不可压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，其密度为998.2 kg/m3；喷嘴固体壁面设定为无滑移绝热壁面，近壁区采用标准壁面函数法处理；喷嘴入口处的边界条件为压力入口条件（pressure-inlet）；喷嘴出口处边界条件为压力出口条件（pressure-outlet）；不计重力影响；求解器采用压力速度耦合算法；离散格式采用二阶迎风格式；其它参数为默认值。

1.4 划分网格

运用ANSYS软件中ICEM模块对3种喷嘴的三维实体进行六面体网格划分。网格质量均在0.7以上，无负体积产生。3种喷嘴的三维实体网格如图2所示。

图2 3种喷嘴的三维实体网格Fig.23 D entity grid of the three nozzles

2 仿真结果与分析

为了研究随入口压力的增加，3种喷嘴的射流特性，本文在入口压力分别为0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0 MPa的6种条件下，对3种喷嘴的内流场情况进行了仿真分析。

2.1 喷嘴形状对喷嘴流场的影响

喷孔形状与其流量的关系如图3所示。随入口压力的增加，3种喷嘴的流量变化趋势为：正三角形喷嘴的流量增长速度最快，正方形喷嘴其次，圆形喷嘴的流量增加幅度最小。这说明了正三角形喷嘴的流量对压力变化较敏感，而圆形喷嘴随压力的变化，能保持流量的稳定性。

图3 喷孔形状与其流量的关系Fig.3 The relationship between the nozzle shape and the flow

当入口压力一定的条件下，通过对3种喷嘴内流场的模拟分析发现：其速度呈现沿着几何中心向壁面逐渐衰减的趋势，且正三角形喷嘴和正方形喷嘴的流道内速度分布高于圆形喷嘴流道，沿轴线附近速度衰减比圆形喷嘴流道慢；此外，圆柱段结构参数相同的入口条件下，圆柱段对射流速度的影响较小，所以喷嘴内流场速度的变化主要集中在截面变化之后的流道内，如图4所示。

图4 入口压力3 MPa时3种喷嘴的速度云图Fig.4 The velocity cloud pictures of the three nozzles at inlet pressure of 3 MPa

2.2 不同入口压力对3种喷嘴出口截面的影响

随入口压力的增加，3种喷嘴的喷射速度逐渐增加，较大速度均出现在几何中心附近。3种喷嘴出口的速度云图分布如图5～7所示。

图5 圆形喷嘴出口的速度云图Fig.5 The outlet velocity contour of circular

图6 正方形喷嘴出口的速度云图Fig.6 The outlet velocity contour of Square nozzle

图7 正三角形喷嘴出口的速度云图Fig.7 The outlet velocity contour of equilateral triangle nozzle

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，正方形流道喷嘴随入口压力的不断增大，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，随入口压力的增加，轴心速度逐渐变小，其分布也趋于倒三角形。

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场进行仿真计算， 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一定的参考依据。

1）在入口压力一定的条件下，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入口压力的增加，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。

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