扩散器角度对流体流动能量损失的研究*

曹嘉佳

(苏州工业园区职业技术学院机电工程系，江苏苏州215123)



扩散器角度对流体流动能量损失的研究*

曹嘉佳

(苏州工业园区职业技术学院机电工程系，江苏苏州215123)

空气动力特征, 例如空气分流现象，压力和阻力，都对赛车行驶过程中的燃料消耗的经济性和运行的平稳性有着重要影响。 本文主要针对扩散器的锥角大小进行研究。通过改变扩散器角度的大小调节汽车行驶时车身遇到的阻力以及能量的损失，采用实验和CFD(Computational Fluid Dynamic)数值模拟两种方式对三个不同角度(5°，24°，60°)的扩散器进行研究。通过比较实验与模拟结果显示，PRC压力恢复系数随着扩散器角度的减小而增大。当角度在5°时，空气在扩散器内能量损失最少，这时扩散器发挥最佳性能。

扩散器 锥角 能量损失 数值模拟

扩散器作为一种重要的装置被用于各行各业[1]。在F1方程式赛车上[2-3]，F1方程式赛车车尾的扩散器，赛车在高速弯道行驶时，通过使用扩散器来避免空气的分流现象并且减小空气流通的阻力和空气的升力，从而降低流通中的能量损失来控制赛车行驶过程中的平稳性和燃料燃烧的经济性[4-7]。2011年吉林大学通过计算机流体数值模拟的方法对5个不同角度的扩散器(0°，3°，6°，9.8°，12°)进行研究，实验结果证明空气的阻力特征随着扩散器角度的减小先增加后减小[8]。2014年印度的维斯瓦力亚大学通过CFD方法分析研究(7°，8°，9°，10°)四个不同角度的扩散器，结果与吉林大学的实验结果相同，但他们得出在7°时，流体没有分流现象，所以此时能量损失最少[9]。所以他们认为扩散器角度在7°以下的角度能发挥扩散器的最大效率。之前的实验都验证了随着扩散器角度的减少，空气阻力和升力越小，从而使汽车具有更优的平稳性，但是7°以下这个范围还是很广，扩散器角度的选择性很多，始终没有确定最优的扩散器角度值。本次研究是对三个不同角度的扩散器(5°，24°，60°)来进一步验证之前的结果，并且更加精确的找出能达到扩散器最优效果的锥角读数。

1 实验说明及步骤

图1 锥形扩散器平面图

由图1可以得出，这个扩散器由三部分组成：进气管，中部锥形管，出气管。d是扩散器进口直径；D是扩散器出口直径；Va是自由流体的速度；在扩散器下方有两个压力计，短的一根压力计是用来测试进口①与出口②之间的压力(P2)，长压力管是用来测试外界大气Pa和进气口①间压力(P1)。

实验步骤：1)选择三个不同角度的扩散器：5°，24°，60°。2)测量并记录下进口管上的监测点到中部锥形管的距离。3)检测设备上水泡的位置，为了确保实验准确性，调节两个旋钮使水泡移动到容器中部。4)打开进气开关调到最大速度。5)等待一分钟，直到压力表中流体趋于稳定，记录下两个压力数值(由于度数误差，记录下来的数据需要加上或减去0.1。6)然后再把进口速度调到中速和低速，分别记录下压力计度数。

2 实验计算

2.1 计算进口流体速度

通过伯努利方程(1)计算出扩散器进口的速度，此时压力损失可忽略不计。Pa指的是大气的压强；V1是扩散器进口速度。当Va≪V1，Va可以被忽略，此时伯努利方程可以被简化为式(2)。

(1)

(2)

2.2 雷诺数(Reynolds Number)

雷诺数是用来判断流体特性的一个重要依据。当Re≥2 000，此时流体可认为是湍流，反之则为层流。根据雷诺数(Reynolds Number)的定义很容易得到它的计算公式如公式(3)。ρ是流体的密度；μ流体的粘度。

(3)

2.3 能量损失

根据简化后的伯努利方程(4)和雷诺数方程可得到PRC计算方程如式(6)：

(4)

(5)

能量损失=PRC(ideal)-PRC

(6)

3 实验结果

在整个实验中，选取了三个不同角度的扩散器(5°，24°，60°)来测试空气流过扩散器的流体参数变化。表1收集了实验结果数据。同一个锥角扩散器，通过控制进口流体的速度大小来监测记录下压力的变化，根据计算所得压力差来计算出压力恢复系数(PRC)值。根据所得实验数据得出扩散器锥角和雷诺数对流体运动中能量损失的关系(图2)。

表1 实验结果

4 CFD数值模拟

4.1 建模和网格生产

实验所用的设备如图1所示，锥形扩散器是一个对称的结构，为了减少模拟时间，并且简化实际问题，可以将三维的模型转化为二维的模型进行模准确率的结果，划分后的网格必须进行优化调试以得到最适合模拟流体运动的网格。最后将优化后的网格导入FLUENT，进行模拟计算流体通过扩散器中的物理量变化。图3呈现了完整的5°扩散器建模。图4为生成后的网格结构。

4.2 流体特性假设

研究流体运动时，雷诺数是一个用来判定流体流动特征的参数。当Re<2 000，流体属于层流。Re≥2 000，此时流体可被认为是湍流。根据公式(5)计算得到此次在扩散器中流动的流体属性为湍流。在这个特殊的研究案例中为了减少计算时间，选用ReynoldsAveragedNavierStokesEquation(RANS)来解决湍流问题。当考虑到模拟湍流的准确性和计算的经济性，选择标准k-ε模型。为了简化模拟的复杂性，选择运用standardwallfunction。由于它不需要太高精度的网格质量，被广泛的应用于工业流体研究中。并且在Fluent模拟中选用简化后的纳维-斯托克斯方程k-ε方程作为求解方法。k表示湍流的势能，ε表示流体流动时的能量损失[11]。选择这个k-ε模型求解法也保证了适当的计算时间和计算结果的准确性。

4.3 模拟结果与分析讨论

图2展示了流体在不同状态时的能量损失情况。由图2可知，三个不同角度扩散器实验结果都显示随着雷诺数的增长，恢复参数(PRC)数值几乎趋于平稳。虽然60°扩散器实验数据显示PRC值有微小的下降，由于读数时观察视角不同，造成的读数误差，所以这个微小变化可以被忽略。 图3显示了PRC与扩散器角度的关系。很明显，随着锥角的增加，相对应PRC数值减小，流体流动过程中能量损失越大。

通过CFD模拟实验，得到PRC与雷诺数和扩散器锥角的关系如图5。 从图6可以得出，随着雷诺数的增长，PRC值几乎恒定不变。但是，扩散器锥角变化对PRC值的影响很大，随着扩散器锥角增大，PRC的值也随之增长。这个结论与实验得出结论一致。从实验和模拟结果来看，雷诺数对PRC值的影响微不足道。但是，扩散器的角度对PRC的值有着重要的影响。由图5得出，随着扩压器角度的增加，PRC值将减少。当流体通过60°的倾斜边时，流体流动分离导致一部分的动能损失，此时的PRC值最小。这意味着，随着锥角角度的增加，更多的能量可能会丢失。当角度为5°时，此时流体能量损失最少，并且此时实验与模拟值最为接近。由图6和7可得，实验的结果与CFD仿真结果一致且相对接近，证明CFD数值模拟的正确性。

5 结论

通过比较实验和模拟结果，扩散器中流体流动的能量损失与扩散器的角度有关，角度越小，能量损失越小，尤其是在5°的时候，流体基本可以避免分流现象，能量损失达到最小，此时扩散器达到最优使用效率。并且，通过比较实验和数值模拟两种方式，CFD数值模拟更加省时，且结果的准确性很高。因此，在解决有关流体研究方面问题时，CFD模拟方法是一种可靠的首选方式。同时，本次模拟只模拟了2D模型，未来需对3D模型进行进一步的研究。

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The influence of diffuser angle on the fluid energy loss

CAO Jiajia

The aerodynamic characteristics, such as split-flow, pressure and drag, would significantly influence the fuel consumption and stability of the racing car. In this study, we analyzed the influence of the diffuser angle on the drag and the energy loss of the car through experiment and CFD numerical simulation of three diffusers with different angles(5°，24°，60°). The results showed that, the pressure recovery coefficient(PRC) increased with the decrease of the diffuser angle. When the angle was 5°, the energy loss in the diffuser was the lowest, and the diffuser displayed the best performance.

diffuser，angle，energy loss，numerical simulation

TK41

A

1002-6886(2016)05-0071-04

“江苏高校品牌专业建设工程资助项目”，项目编号：PPZY2015A088。

曹嘉佳 (1992-)，女，硕士研究生，教师，主要研究流体力学工程。

2016-04-29