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基于Fluent的临界流文丘里喷嘴的内部流场仿真分析

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第１３卷第３４期２０１３年１２月　１６７１—１８１５（２０１３）３４—１０３９２—０６　科学技术与工程　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．１３　Ｎｏ．３４　Ｄｅｅ．２０１３　＠２０１３　Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．　

基于Ｆｌｕｅｎｔ的临界流文丘里喷嘴的　

内部流场仿真分析　

王丽辰朱云郑哈蔡睛　

（中国计量学院机电工程学院，杭州３１００１８）　

摘要针对目前无法对小喉径的临界流文丘里喷嘴内部流场进行检测的缺点，在建立喷嘴数学及物理模型的基础上，运用　Ｆｌｕｅｎｔ软件对喷嘴的内部流场进行模拟仿真。鉴于喷嘴结构对其流出系数及临界背压力比有较大的影响，通过数值模拟的方　法对喷嘴内部不同位置处的速度场、压力场进行了分析，将仿真所得到的喷嘴的流量和临界背压力比同理论计算值和通过标　准检定装置测试得到的实测值进行比较，并绘制了质量流量与背压力比的仿真及实测关系图，据此提出了在喷嘴制造方面上　的建议。　关键词临界流文丘里喷嘴　Ｆｌｕｅｎｔ　流出系数　临界背压力比　中图法分类号ＴＰ３９１．９；　文献标志码Ａ　

临界流文丘里喷嘴又称为音速喷嘴。因其准　

确度高、重复性好等特点而在气体流量的测量领域　

内作为传输标准和标准表被广泛应用。音速喷嘴　

的结构是实现临界流并保持的关键，其具体的依据　

是国际标准ＩＳＯ　９３００　ｊ。本文描述的是圆筒形喉部　

喷嘴，其结构如图１所示。　

图１　圆筒形喉部喷嘴轮廓　

图１中标注了对圆筒形喉部喷嘴各部分的尺寸　

要求。１为人口段，是一段１／４圆环，其一端与入口　

平面相切，另一端与圆筒形喉部相切；２为喷嘴扩散　

段；３为直径最小的喉部区。在对临界流文丘里喷　

２０１３年７月９日收到，７月２９日修改　第一作者简介：王丽辰（１９８８一），男，硕士研究生。研究方向：检测　自动化技术。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｔｅｒ＿ｆｌｙ＿ｆｉｓｈ＠１６３．ｔｏｍ。　嘴进行检定时，保持喷嘴上游人ＥＩ处的滞止压力Ｐ　

不变，逐渐的减小喷嘴出口的背压力比。当背压力　

比达到一个临界值时，通过喷嘴的气体在喉部处的　

速度为当地音速，此时气体的质量流量也达到最　

大。进一步降低背压力比，气体流量将保持不变。　

流出系数ｃ　是表征临界流文丘里喷嘴流量特　

性的重要指标。依据ＪＪＧ　６２０－－２００８的相关规定，　

当流出系数的重复性优于其要求的１／２时，可以检　

定３次，超过这个范围的话则应检定６次。流出系　

数的计算公式为　

，１一　一　厘　一　ｑ　…　一ｑ　１一ａｃｐ。√　一ＡＣＲ　¨　

式（１）中，ｑ　为实际流量，可由检定装置测得；ｑ　。为　

理想流量，可通过理论计算得到；Ａ为喉部面积，据　

测得的喉部直径计算得到；ｐ０、Ｔｏ、Ｐ。分别为滞止压　

力、滞止温度、滞止密度，由喷嘴前的测量仪器得到。　

本文取理论标准流量为１．２　ｍ　／ｈ的临界流文　

丘里喷嘴作为研究对象，采用ＣＦＤ　软件对其流场　

进行数值模拟，分析所得到的速度场及压力场，并　

对仿真结果与在检定装置上的测试结果进行分析　

比较。

　３４期　王丽辰，等：基于Ｆｌｕｅｎｔ的临界流文丘里喷嘴的内部流场仿真分析　

１模型的建立　

１．１　Ｆｌｕｅｎｔ软件　

Ｆｌｕｅｎｔ是用于模拟具有复杂外形的流体流动以　

及热传导问题的专用ＣＦＤ（计算机流体力学，ｃｏｒｎ—　

ｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ）软件。它通过计算机数值　

计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相　

关物理现象的系统进行分析计算，其基本思想为：　

把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，用　

一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通　

过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场　

变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组　

获得场变量的近似值。　

Ｆｌｕｅｎｔ具有较强的适应及较广的应用面，利用　

它可以求解一些几何形状和边界条件都很复杂的　

流动问题，还可以通过设置不同的控制参数来进行　

各种的数值计算。更为重要的是它不受物理模型　

和实验模型的限制，灵活性高，容易模拟真实条件　

和实验中都只能接近无法达到的理想条件。　

１．２物理模型　

用ｆｌｕｅｎｔ　６．３自带的前处理软件Ｇａｍｂｉｔ建立临　

界流文丘里喷嘴内部的物理模型。由于喷嘴是一　

个对称的旋转体，故其内部的流场可简化为二维的　

流场，如图１所示，其中，入口段Ｄ＝１４．５　ｍｍ，喉部　

直径ｄ＝１．４１５　ｍｍ，扩散段角度为４。，长度为　

１１．Ｏ１　ｍｍ。　

１．３数学模型　

本文模拟通过喷嘴的气体为理想状态下的空　

气　，由于喷嘴在人口处渐缩性的特点，其密度变　

化较大，故视为可压缩流的湍流流动。求解器选择　

Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｂａｓｅｄ，计算方式选择Ｉｍｐｌｉｃｉｔ（隐式），流体　

属性设置为理想气体。用Ｓｐａｌａｒｔ—Ａｌｌｍａｒａ　湍流模　

型来描述喷嘴内部流动，该模型是一种相对简单的　

一方程模型，仅考虑了动量的传递方程。在气体动　

力学中，对于有固定边界的流动，利用Ｓｐａｌａｒｔ—Ａｌｌｍａ—　

ｒａｓ模型计算边界层内的流动以及压力梯度较大的　

流动都可得到较好的结果。模型的经验常数ｃ　。、　

ｃｂ２、ｃ　１、ｃｗ２、Ｃｗ３分别设置为０．１３５　５、０．６２２、７．１、　

０．３、２。　１．４　Ｓｐａｌａｒｔ－Ａｌｌｍａｒａｓ模型控制方程　

景（ｐ　）＋云（ｐ　Ｕｉ）＝　

Ｇ　＋　ｌ　ｒ　ｏ　（（　）薏）＋ｃ　（薏）　＋Ｓ；　

（２）　

式（２）中，　为湍流运动黏度，Ｇ　为湍流黏度的增加　

项，　为湍流黏度的减少项，Ｓ　为用户自定义　

源项。　

１．５网格划分　

用Ｇａｍｂｉｔ对喷嘴流场进行网格划分，其划分的　

质量对计算的精度和稳定性有很大的影响。对二　

维结构网格（单元是四边形），优点是能准确的处理　

边界条件，计算精度高，缺点是对复杂外形的网格　

生成较难，甚至难以实现；而对于二维非结构网格　

（单元是三角形），其优点是能生成复杂外形的网　

格，但在同等网格数量的情况下，它比结构网格所　

需的内存更大、计算周期更长。对此，本文在面网　

格划分时选取了Ｑｕａｄ／Ｔｒｉ混合型网格，使模型更　

准确。　

１．６边界条件　．　

喷嘴模型人口边界条件设置为压力人口，人口　

压力即滞止压强，设为１个大气压（１　ａｒｍ）；出口边　

界条件设置为压力出口，因在检定时首先检定的喷　

嘴的背压力比是０．２２，因此在仿真时，本论文首先　

设置的出口压力为０．２２个大气压。为观察喷嘴质　

量流量与背压力比的关系，出口压力取０．２２、０．２７、　

０．３２、０．３７、０．４２、０．４７、０．５２、０．５７、０．６２、０．６７，１０个　

点进行观察。　

２仿真分析　

在标准活塞式喷嘴检定装置上　测得的临界　

背压力比为０．６２，由于喷嘴的背压力比低于临界值　

时，它的内部流场基本不变，本文选取了背压力比　

为０．３时的流场进行分析。设定收敛的条件为　

０．００１，迭代至６４５步时收敛。　

２．１速度场的分析　图２是临界流文丘里喷嘴前后部分管道及喷嘴　

内部的速度矢量云图。由图３可以看出：

理想气体　科学技术与工程　１３卷　

在喷嘴入口渐缩段的速度不断增加，在渐缩段与喉　

径的交汇处增加最快，可达到２６５　ｍ／ｓ；理想气体在　

喷嘴喉部的速度亦不断增加，在喉部与扩散段的交　

汇处约为３４０　ｍ／ｓ，即达到了音速；而在扩散段气体　

速度增加更为明显，在接近喷嘴出口的较大区域内　

可达到５３０　ｍ／ｓ。由于气体回流的作用，在其后的　

区域内速度降低，但仍以喷射的形式离开喷嘴出　

口，其射流现象极为明显，速度可达到３８０　ｍ／ｓ。　

图２速度矢量云图　

从整个速度云图上来看，速度分布区域化在扩　

散段较为明显，大体上呈现不断增加的态势。鉴于　

喷嘴出口处的射流现象，在检定时需要在喷嘴后加　

一部分直管段，防止射流对取压口处的流场产生较　

大的扰动，影响检定时对背压力比的设定。　

对于喷嘴喉部处的速度场，其区域化没有扩散　

段那么明显，但从速度云图中可明显地看出其靠近　

喷嘴壁面的速度低于主流区域的速度，这是理想气　

体的粘性作用导致的，气体与壁间的黏滞作用使得　

流速大大低于靠近喷嘴中心黏滞作用越小的区域。　

在喉部处的流速最终扩展到音速，为详细观察其发　

展情况，选取了喷嘴喉部不同位置处的速度分布　

（图３），分别取：ｌｉｎｅ一４（０．００１　５，０．０１４　５；０．００１　５，　

一ｏ＿０１４　５），ｌｉｎｅ一５（０．００２，ｏ．０１４　５；０．１３０２，一０．０１４　５），　

ｌｉｎｅ一６（０．００２　５，０．０１４　５；０．００２　５，０．０１４　５），ｐｌａｎ一　

７（０．００２　７，０．０１４　５；０．００２　７，一０．１４５），ｌｉｎｅ一８　

（０．００２　９８，０．０１４　５；０．００２　９８，一０．０１４　５）。　

由上述速度分布　图可以清晰的看出在喷嘴　

喉部不同位置处的速度径向分布方式。Ｌｉｎｅ一５、　

ｌｉｎｅ一６、ｌｉｎｅ一７、ｌｉｎｅ一８的分布相同，均是梯形分　

布，其速度随着所处喉部位置的不断加深而变大。　

但ｌｉｎｅ一４的速度在中间出现凹弧形分布，造成这一　图３喷嘴喉部不同位置处速度分布图　

现象的原因是：人口段是一个１／４圆弧，理想气体通　

过改圆弧与喉部的交汇处时会产生较大的回流，使　

得主流区域的速度低于喷嘴壁面附近的速度。　

２．２压力场分析　

由图４、图５可以看出，喷嘴入口前连接在滞止　

容器上的管道的内部压力总体上来说为１　ａｔｍ，仅在　

喷嘴入口处因回流的作用使其压力发生改变。而　

喷嘴出口后的管道压力分布均匀，为０．３　ａｔｍ。喷嘴　

内部的压力逐渐降低，最低的区域在扩散段为０．１２　

ａｔｍ。从管道人口到扩散段出现压力最低的区域，其　

压力损失接近８８％，这是喷嘴出口处出现高速射流　

现象的根本原因。由图可以看到在扩散段，压力为　

０．１２　ａｔｍ的区域非常大，缩小该区域便可以降低压　

力损失，从而实现减小射流对喷嘴后管道流场的　

影响。　

图４压力分布云图　

３实验结果及数据分析　

对流量、流出系数、临界背压力比的理论计算　如　鼹　驺　，５　４　４　３　３　２　２　ｌ　１　Ｏ　Ｏ　０　一蠢　墨●．■■　

¨　×１　９　８　７　

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Fluent分析一个例子

Fluent分析一个例子

由于目前我尚未开始我的课题，下面我就利用fluent对空气在一个喷管内的流动做流场分析，fluent用的是有限体积法来进行计算仿真。

该喷管模型如下：这是一段缩放型喷管，空气在压力作用下从左端进入喷管，从右端出来。进口的压力为1atm，出口的平均压力为0.843atm。管直径为40mm，长度为160mm。

图1 喷管示意图

如上图所示，空气在一个大气压的作用下通过平均背压为0.843atm的缩放型喷管。背压是以正弦波的规律变化的，即

我要做的工作是在gambit中建立该喷管的二位模型，再利用fluent求解器计算喷管内的不定常流动。

首先，利用gambit建立二维喷管的计算模型。模型如下图所示。由于喷管是对称结构，因此先建立上半部分的模型。

图2 用gambit建立的喷管轮廓图

建模完成以后，对各条边进行节点划分。然后再创建结构化网格。创建的结构化网格如下图所示。

图3 区域内的网格图

网格划分完成以后，开始设置边界类型。设置网格类型包括以下几个步骤：(1)确定进口边界类型；(2)确定出口边界类型；(3)确定固壁边界类型；(4)定义对称面。

以上工作都完成以后，要输出网格文件。输出网格文件以后，再利用fluent进行喷管内流动的仿真计算。

利用fluent进行喷管内流动的仿真计算步骤如下：

(1)读入网格文件，读入网格文件以后，将会在信息反馈窗口显示网格的有关信息，如果没有错误就可以继续进行，若有错误，要重新设定gambit中的网格。

(2)下面再检查网格，fluent将会对网格进行各种检查，并将结果在信息反馈窗口中显示出来，其中要特别注意最小体积一项，要确保为正数，否则无法计算。

(3)检查网格没有问题后，要显示网格。由于显示的网格图形不是整体，而仅仅是图形的一半。为了更好的显示网格图形，可以利用镜面反射功能，以对称面为镜面，进行对称反射并构成一个整体。如下图所示：

图4 整体区域的网格图

基于FLUENT对气动喷砂喷嘴的设计与仿真

基于FLUENT对气动喷砂喷嘴的设计与仿真

2020年22期设计创新科技创新与应用TechnologyInnovationandApplication

基于FLUENT对气动喷砂喷嘴的设计与仿真

武宾宾1，黄家永2，王莹1

（1.北京沄汇智能科技有限公司，北京100744；2.贵州黔西中水电有限公司，贵州毕节551514）

引言

喷嘴作为喷砂机砂料加速的重要元件，直接影响了喷

砂作业的工作效率。目前，大多数研究是提高喷嘴的工作

效率的研究，即提高砂料喷射速度的研究。

文献[1]使用Fluent软件对不同收缩角喷嘴进行了模

拟仿真。文献[2]通过对喷嘴的收缩段不同截面弧形建立气

体流动的数学模型，然后通过有限元软件分析计算。文献[3]

利用FLUENT软件对喷嘴的收缩段、喉部及扩散段的参数

进行了对比分析。文献[4]利用Fluent有限元分析软件研究

了不同类型的喷嘴内外流场特性，获得了流场压力和速度

的分布规律。

目前常用的喷嘴有直筒型、文丘里型、方型喷嘴等不

同类型的喷嘴对流体特性都会产生较大的影响，这一必然

会影响清理效率和基体表面的力学性能。在相同前提下，

本文提出了一种新型扁形喷嘴，并借助FLUENT进行仿

真。1砂料轨迹与碰撞的理论描述

1.1连续性方程

根据质量守恒定律，流场中任意形状的一个控制体中

流体质量对时间的变化率与流经该控制体表面的净质量

流量在数值上完全相等。1.2颗粒轨道模型

Fluent中的离散相模型欧拉-拉格朗日方法，该方法把

流体相看做是连续相，从而可以直接纳维-斯托克斯方程求解，而离散相则是通过计算流场中大量的粒子或液滴在

连续相的作用下的运动得到的。基于欧拉-拉格朗日框架

也就意味着离散相颗粒相对比较少，颗粒与颗粒之间的作

用力以及颗粒对连续相的反作用力也就忽略不计，在Flu原ent离散相轨道追踪中，要求离散相的体积分数要小于10~

12豫，这样也就可以忽略颗粒之间的相互作用[5]。2创建几何模型与网格划分

本扁形喷嘴的内部构造收缩段、喉段和扩张段三段。

其详细尺寸见图1新型扁形喷嘴。

临界流文丘里喷嘴数值模拟及优化设计

临界流文丘里喷嘴数值模拟及优化设计

临界流文丘里喷嘴数值模拟及优化设计

1. 引言

1.1 研究背景

临界流文丘里喷嘴是一种在航空航天领域广泛应用的重要推进器件，其性能直接影响着航天器的推进效率和稳定性。因此，对临界流文丘里喷嘴的研究具有重要意义。随着计算机技术的发展和数值模拟方法的不断完善，利用数值模拟手段对临界流文丘里喷嘴进行优化设计已成为现代航空航天研究的重要方向。然而，在实际工程应用中，尚存在许多问题亟待解决，如喷嘴结构的优化设计、流场特性的查询等。因此，进一步深入研究临界流文丘里喷嘴的工作原理，开展数值模拟方法及优化设计的研究具有重要意义。本文旨在通过数值模拟及优化设计的方法，探讨临界流文丘里喷嘴的性能特点，提高其推进效率和稳定性，为我国航空航天领域的发展提供有效支持。

1.2 研究意义

临界流文丘里喷嘴的研究意义主要体现在以下几个方面：

临界流文丘里喷嘴在航空航天、火箭发动机等领域具有重要的应用价值。通过对其进行数值模拟和优化设计，可以提高发动机的效率和性能，从而实现更好的推进效果。

研究临界流文丘里喷嘴可以为相关领域的工程设计提供更科学、更精准的参考依据。在设计新型喷嘴或对现有喷嘴进行改进时，通过深入研究其工作原理和优化设计方法，可以有效地提高设计的成功率和效果。

对临界流文丘里喷嘴的研究还有助于推动相关技术的发展和创新。通过不断优化设计和实验验证，可以探索新的喷嘴结构和工作原理，为未来的技术发展打下基础，促进行业的进步和提升。研究临界流文丘里喷嘴具有重要的理论和实际意义，对于推动相关领域的发展具有积极的意义。

1.3 研究目的

研究目的是为了探究临界流文丘里喷嘴在流体力学领域的应用潜力，通过数值模拟分析和优化设计方法，揭示其内部流动特性和性能表现。具体目的包括：1. 深入了解临界流文丘里喷嘴的工作原理，探讨其在流体控制和喷射技术中的作用机制；2. 探讨各种数值模拟方法在临界流文丘里喷嘴性能预测和优化设计中的应用优势和局限性；3.

Fluent雾化喷嘴数值仿真研究

Fluent雾化喷嘴数值仿真研究

Fluent雾化喷嘴数值仿真研究

FLUENT 提供五种雾化模型：

• 平口喷嘴雾化(plain—orifice atomizer）

• 压力－旋流雾化(pressure—swirl atomizer）

• 转杯雾化模型(flat—fan atomizer)

• 气体辅助雾化（air-blast/air-assisted atomizer）

• 气泡雾化(effervescent/flashing atomizer）

所有的模型都是用喷嘴的物理及尺寸参数（例如喷口直径、质量流率）来计算初始颗粒尺寸、速度、位置.对于实际的喷嘴模拟来说，无论是颗粒的喷射角度还是其喷出时间都是随机分布的。但对FLUENT 的非雾化喷射入口来说，液滴都是在初始时刻以一个固定的轨道喷射出去（到流场中去）.喷雾模型中使用随机选择模型得到液滴的随机分布。随机选择轨道表明初始液滴的喷射方向是随机的。所有的喷嘴模型中都要设第初始喷射角（范围），颗粒通过随机的方法在这个范围内得到一个初始喷射方向.这种方法提高了由喷射占主导地位流动的计算精度。在喷嘴附近，液滴在计算网格内的分布趋向于更加均匀，这样，通过气相作用于液滴上的曳力就加强了气相－液滴之间的耦合作用.

平口喷嘴雾化（plain—orifice atomizer）模型

平口喷嘴是最常见也是最简单的一种雾化器。但对于其内部与外部的流动机制却很复杂。液体在喷嘴内部得到加速，然后喷出，形成液滴.这个看似简单的过程实际却及其复杂。平口喷嘴可分为三个不同的工作区：单相区、空穴区、以及回流区(flipped。不同工作区的转变是个突然的过程，并且产生截然不同的喷雾状态。喷嘴内部区域决定了流体在喷嘴处的速度、初始颗粒尺寸、以及液滴分散角。每种喷雾机制如下图示(图1、2、3）:

图1 单相流雾化喷嘴流动（液体完全充满喷头内部)

图2 空穴喷嘴流动（喷头倒角处产生了空穴)

图3 返流型喷嘴流动（在喷头内,下游气体包裹了液体喷射区）