基于Fluent的低压喷射器渐缩型喷射管数值模拟研究

张义 牛鹏宇 张金泉

摘 要：根据气固两相流动理论，对气固两相采用欧拉-拉格朗日方法和湍流模型，对低压喷射器喷射管的管内和管外流场进行二维数值模拟研究。对喷射粉末采用颗粒轨道模型，考虑气固两相耦合作用。结果表明：颗粒的加入使气体的速度产生骤降，随后气粉流速度趋于稳定。但由于管体渐缩角的增大，圆管直径越来越小，此时气粉流速度逐渐增大，在喷射管出口处外的一小段距离上形成核心射流区，随后，速度急剧衰减。

关键词：低压喷射器；喷射管；数值模拟

低压喷射器是以风机高速转动产生低压气动力达到喷射粉末为目的的装置，喷射管管和管外的流动属于气固两相流动，在动力源给定的前提下，喷射器以渐缩型喷射管为模型进行二维数值模拟研究。

1 数值模型

1.1 连续相控制方程

1.1.1 连续方程

（1）

式（1）中，为气体体积份额；为气体密度；为向速度分量；为时间；、=1，2为坐标方向。

1.1.2 动量方程

（2）

式（3—2）中， ；為向速度分量；为压力；为粘性系数；为湍动粘度，；为经验常数，为湍动能，为耗散率；为克罗内克函数（当时，；当时，）；为向速度分量；是颗粒与流体间的相互作用力，它与流体的性质、空隙率以及颗粒的相对速度有关，可表示为，式中为曳力系数，为固体颗粒速度，为气体速度；为重力加 速度；、=1，2为坐标方向。

1.1.3 方程

（3）

式（3）中，，

是固体颗粒产生相；为曳力系数；为瞬时速度脉动量；在稀相气固两相流模拟中再分布相不加考虑。

1.1.4 湍流动能耗散方程

（4）

式（3—4）中，这里为源常数项；为湍动能对应的普朗特数；、为经验系数；为平均速度梯度引起的紊

动动能产生项，。

1.2 颗粒运动方程

（5）

（6）

式（5）中为颗粒位移；为颗粒的碰撞力；为流体对颗粒的总作用力；为压力梯度；为固体单颗粒的体积，式（6）中为颗粒转动的角速度；为颗粒受到的转动合力矩；为颗粒的转动惯量。

2 模型建立

2.1 物理模型

图1 渐缩型喷射管尺寸标注图

气流入口直径、粉颗粒入口直径、出口直径为、管长。

2.2 Fluent前处理

图2 渐缩型喷射管管内、外流场示意图

利用Fluent的前处理器Gambit软件对渐缩型喷射管的管内和管外流场进行网格划分，网格的划分采用四面体网格。网格总数302390。

气流入口和颗粒入口设置为速度入口，出口边界设置为压力出口。

图3 渐缩型喷射管流场区域网格划分

3 数值模拟结果

3.1 速度分析

（a）速度流场图 （b）速度位移图

图4 渐缩型喷射管速度流场和速度位移图

3.2 压力分析

（a）全压流场图 （b）全压位移图

图5渐缩型喷射管管内和近口流场全压力图

（a）动压流场图 （b）动压位移图

图6 渐缩型喷射管管内和近口流场动压力图

（a）静压流场图 （b）静压位移图

图7 渐缩型喷射管管内和近口流场静压力图

4 结语

颗粒的加入使气体的速度产生骤降，随后气粉流速度趋于稳定。颗粒的加入使管内动压增加，静压力减小，随后趋于平衡，管内全压力整体下降。在喷射管出口处外的一小段距离上形成核心射流区，随后气粉流速度急剧衰减。流场动压力的变化规律与气粉流速度的变化规律相同，速度的变化可认为是动压力变化的直观表现。

参考文献：

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