不同喷泉喷头结构形式水力特性比较分析

吴丹

水景喷泉以其独特的柔美舞姿以及千变万化的形态吸引着人们的目光，已成为现代人们审美艺术的重要组成部分，在人们的精神文化生活中起着不可或缺的作用。现代喷泉主要由控制系统、灯光、设备及音响系统等组成，其中喷头为喷泉设备的关键部件。

1.常见的管嘴形状比较

由于常见的管嘴形状中流线型管嘴的流速系数及流量系数较大[1]，因此选用流线型喷头与现有喷头进行比较分析。图1 为两种不同形状的喷头，两种喷头上部流道形状不同：结构1 采用母线为直线的锥形，现有喷泉喷头绝大多数均采用该结构形式；结构2 采用母线为圆弧曲线的锥形，其余结构相同。

图1 不同结构喷头比较

在三维绘图软件中绘制喷头流道内流体部分，采用有限体积方法对其离散，导入FLUENT 中进行基本设置。设置喷头入口的边界条件处为压力入口，考虑现实喷泉喷射高度，设置入口处压力为0.5MPA，设置出口的边界条件为压力出口，出口压力为相对大气压力，即0MPA，计算过程中应考虑重力的影响，在运行条件中设置重力加速度为9.8m/s2。由于考虑喷头内部水流出后的计算，采用非定常方法，由于不考虑喷头内部能量方程与动量方程的相互耦合作用，采用PISO 算法对流场进行迭代计算[2]，并得到这两种喷头内部的压力分布和速度矢量分布。

2.喷头压力分析

图2 为两种喷头压力分布图，下端为喷头入口，上端为喷头出口，下端空白部分为入口处四片导流栅。通过图（a）、图（b）比较分析，喷头流道内水流压力均呈现压力逐渐减小的趋势，由于喷头处急剧变化流体边界较少，局部及沿程损失均可不计，由能量方程可知，入口处流体的压能将转换为喷头出口处的位能和动能，图（b）形式的喷头出口出水压更低，则其由入口处转化的动能流速也就越高，喷射高度也越大。

图2 压力分布图

3.喷头流速分析

从图3 中也可以看出两种结构内流速的不同，流线型结构喷头出口处流速明显高于直线型喷头，其喷射高度更高。

图3 速度矢量图

图4 为两种喷头的外部流场水的分布图，可以看出，流线型喷头喷射高度及水型均较好。

图4 两种喷头的外部流场水的分布图

4.结语

综上所述，好的内部流道的结构不仅可增加喷泉喷水高度，而且会使喷泉出水水型较好。本文通过目前在计算流体力学领域应用较为广泛的软件FLUENT，计算比较了两种不同的流道结构的喷头内部水流的速度场及压力场，并选择出较好的流道结构形式。