应用FLUENT进行射流流场的数值模拟
谢峻石何枫
清华大学工程力学系
一．引言
射流是流体运动的一种重要类型，射流的研究涉及到许多领域，如热力学、航空航天学、气象学、环境学、燃烧学、航空声学等。在机械制造与加工的过程中，就经常利用压缩空气喷枪喷射出高速射流进行除尘、除水、冷却、雾化、剥离、引射等。在工业生产中，改善气枪喷嘴的设计，提高气枪的工作效率对于节约能源具有重大的意义。
FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。本文的工作就是将FLUENT应用于喷嘴射流流场的数值模拟，使我们更加深刻地理解问题产生的机理、为实验研究提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用.。
二．控制方程与湍流模式
非定常可压缩的射流满足如下的N-S方程：
（1）
上式中，是控制体，是控制体边界面，W是求解变量，F是无粘通量，G是粘性通量，H是源项。
采用二阶精度的有限体积法对控制方程进行空间离散，时间离散采用Gauss-Seidel隐式迭代。
FLUENT软件包中提供了S-A(Spalart-Allmaras)，K-（包括标准K-、RNG K-和Realizable K-），Reynolds Stress等多种湍流模式，本文在大量数值实验的基础上，亚音速射流选择RNG K-湍流模式，超音速射流选择S-A湍流模式。
三．算例分析
（一）二维轴对称亚声速自由射流
计算了一个出口直径为3mm的轴对称收缩喷嘴的亚声速射流流场，压比为1.45。外流场的计算域为20D×5D（见图1）。
图1 计算域及网格示意图
图2显示的是速度分布，图3、图4分别显示了轴线上的速度分布以及截面上的速度分布计算值与实验值的比较。从图中可以看出，亚声速自由射流轴线上的速度核心区的长度约为5～6D，计算值与实验值吻合的比较一致，证明RNG k-湍流模式适合于轴对称亚音速自由射流的数值模拟。
图2 速度分布
图3 轴线上的速度分布图4 截面上的速度分布
（二）二维轴对称超声速自由射流
计算域与网格划分与算例一相同，压比分别为4和6。图5、6显示了在不同压力下的马赫数分布。图中可以清晰的看到喷嘴出口附近膨胀波与压缩波的相交与反射现象。当压比为6时，喷嘴出口附近出现了马赫盘和滑移线。
图5 压比为4时的马赫数分布
图6 压比为6时的马赫数分布
图7压比为4时喷嘴出口附近的马赫数等值线分布以及出口截面上的马赫数分布。从图中我们可以看出，声速线和出口截面不在一个平面内，在喷嘴出口截面上，轴线附近是亚声速流动，靠近壁面处为超声速流动。这个结果与前人的研究结论是相符合的。
图7 压比为4时出口截面马赫数分布
图8 压比为6时出口截面马赫数分布
图9显示的是喷嘴出口附近马赫数等值线分布与阴影仪实验的比较。从图中可以看出，马赫盘的位置与实验结果比较吻合。
图9 马赫数等值线分布
四．结论
通过上述两个算例证明采用Fluent对喷嘴高速射流进行数值模拟是可行的，计算结果与实验吻合的较好。通过数值模拟，可以更好的了解喷嘴的内外流场的流动状况，对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用。