毕业论文-喷管设计

1、本科毕业设计论文题 目 _喷射清洗喷枪设计研究_专业名称_飞行器设计与工程_学生姓名_刘 操_指导教师_席德科_毕业时间_2006年7月_设计论文毕业 任务书一 题目 喷射清洗喷枪设计研究二 指导思想和目的要求通过本论文工作，使学生对所学的基础理论和专业知识得到巩固和提高，了解、熟悉喷射清洗喷枪的理论、工作原理、功能作用以及设计方法，并进行实际设计，从而培养学生的设计能力、独立工作能力以及科研能力,使学生的专业业务素质得到提高。三 主要技术指标1 熟悉喷射清洗喷枪设计计算程序，并进行算例设计。2 熟悉、掌握Fluent软件使用方法，并使用该软件对所设计的喷枪进行数值模拟。四 进度和要求1 查阅

2、、熟悉相关文献资料，并英译汉翻译相关资料（约15000字符）。2周2 熟悉、掌握喷射清洗喷枪设计理论、方法，并熟悉计算程序。3周3 熟悉、掌握Fluent软件，并用该软件对所设计的喷头进行数值模拟。3周4 编写、完成论文。3周5 答辩准备。1周 五 主要参考书及参考资料1 杨林，唐川林，张凤华，高压水射流技术的发展及应用，洗净技术，2004，2（1）：914.2 卢晓江，何迎春，赖维，高压水射流清洗技术及应用,化学工业出版社，NO.1,2006.3 薛胜雄，高压水射流清洗技术及应用，化学工业出版社.4 韩占忠，王敬，兰小，FLUENT流体工程仿真计算实例与应用，北京理工大学出版社.5 李玉柱，

3、苑明顺，流体力学，高等教育出版社.6 沈忠厚著，水射流理论与技术，北京：石油大学出版社，1998.7 阿勃拉莫维奇，实用气体动力学，梁秀彦译，北京:高等教育出版社,1995.8 徐华舫，空气动力学基础，北京：国防工业出版社.9 (英)罗姆哈姆著，伟大的科学实验，廖启端译，北京：科学普及出版社，1985.10 Reshhoto,E.,Tucher,M.:Approximate Calculation of Compressible Bonudrary-Layer With Heat Transfer and Arbitrary Pressure Gradient,NACA TN 4.学生 _刘

4、操_ 指导教师 _ 系主任 _目 录摘 要-1ABSTRACT-2第1章 绪论-31.1 研究的目的和意义-31.2 喷射清洗喷枪的研究现状-31.3 本论文主要工作-4第2章 两种工业物理清洗简介及机理-52.1 干冰清洗-52.2 高压水射流清洗-6第3章 喷管设计理论-93.1 基本理论-93.2 收缩段设计-93.3 扩张段设计-103.4 特征线法简述-133.5 喷管型线的确定及附面层修正-143.6 小结-15第4章 喷管设计程序介绍及算例设计-163.1 喷管设计程序-163.2 算例设计-17第5章 数值模拟-185.1 Fluent软件简介-185.2 用Gambit建立模

5、型-205.3 用Fluent软件进行数值模拟-22第6章 结果分析-23致谢-24参考文献-25附录1：扩张段计算程序-26附录2：收缩段计算程序-48附录3：后处理程序-52附录4：数值模拟结果-53附录 5：程序计算结果-54西北工业大学 本科毕业论文摘要本论文旨在对喷射清洗喷枪进行设计研究。喷射清洗在工业领域应用极为广泛，对此开展研究，提高其效能，具有重要的经济和工程应用价值。首先，介绍了两种工业物理清洗干冰清洗和高压水射流清洗原理及机理；其次，论述了喷枪的核心喷管的设计理论，主要包括收缩段设计、扩张段设计，同时简述了特征线法、喷管型线的确定及附面层修正方法；另外，介绍了本论文使用的一

6、个喷管型线设计程序，并用该程序进行了算例设计；最后，用Gambit建模，用Flunet软件进行数值模拟，并对结果进行了初步分析。关键词: 喷枪 喷管 程序设计 数值模拟 FluentABSTRACT This article is mainly about the design and the research of the cleaning spray gun, lying in the fundamental research, the programming and the software application emphatically. By making the comparis

7、on of the result of the procedure movement result and the software iterative computation, thus we make the related conclusion. Therefore the present paper introduced the dry ice clean principle at first, mechanism and the related software of the high-pressured water jet flow .This part of contents s

8、imply narrated the basic principle of the spraying clean, especially in the method of the elimination to clean the dirt on the surface, this was the foundation of this paper. Next, deeper from the fluid angle, we design the line conducts of the nozzle.Once more, through studying and consulting the p

9、rocedure which has been designed. Finally we design the GAMBIT model for the designed nozzle and make comparison of the FLUENT computation, thus examine the designed procedure.Key words: Spray torch Spray pipe Programe design Numerical simulation Fluent第1章 绪 论1.1 研究的目的和意义清洗作业一直是工业及民用领域不可缺少的一个重要行业。一般

10、清洗方法可分为物理清洗和化学清洗两大类。物理清洗和化学清洗都有其各自的特点，实际应用时应根据被清洗物体的情况和清洗要求进行和使用。随着经济的发展和社会的进步，工业对设备运转效率及环境保护的要求，化学清洗方法的使用受到了很大的限制。而各种物理清洗方法和技术得到了快速的发展和广泛应用，其中高压水射流清洗技术的发展与应用最为迅猛和广泛，已经成为清洗行业中一种主要的清洗技术。喷枪技术理所当然成为高压水射流清洗技术中的主要技术，喷管型线理论已成为喷嘴及喷头中的主要理论。所以，设计研究性能良好的喷射清洗喷枪，就成为我国清洗技术的核心问题，也必将为我国的工业及环境保护做出巨大的贡献。1.2 喷射清洗喷枪的研

11、究现状喷射清洗喷枪技术广泛用于食品加工设备表面的积炭结焦，轮船发动机工作仓、机械和电器设备除污，汽车制造业中旧添膜及密封胶的去除，在不损伤汽车表面汽前提下清除各类标贴和印花，以及电器控制系统的除污除尘，橡胶和塑料加工行业中挤出机和型模的除污，核工业中有害放射性物质的清除，电力行业中变压器及其他电力设备在线清洗，印刷行业中印刷设备和复印机内部清洗，医药航空和石油化工中设备的清洗等。一般清洗用喷枪主要有控制流体或气体的扳机以及喷管等，为使用方便，有的手持式喷枪上装有托架；为了保证安全，还可在操作人员坐的位置的管线上安装脚踏阀。喷枪有许多种类，根据喷杆使用的管材不同，可分为刚性喷枪和柔性喷枪。刚性喷

12、枪的喷杆为钢管，柔性喷枪的喷杆为高压软管。按照喷枪的结构型式上的差异，喷枪可分为短喷枪、长喷枪、集束喷枪及平衡喷枪。 短喷枪。其构造小巧，可根据不同的清洗对象，随意调节成不同形状的射流，根据冲击力大小，可分为软雾、硬雾和冲击水柱三中射流。软雾射流有效射程在0.5米以内，打击力最小，用于清洗玻璃及一般承压较小的表面；冲击水柱有效射程可达12米，冲击力最大，用于清洗黏结较硬的表面污垢；硬雾射流的射程可在前两者中间调节，用于清洗能承受一定冲击力的表面。 长喷枪。除了一般的刚性长喷枪之外，喷头固定在内径为4.825.4mm的柔性喷杆或刚性喷杆可以与喷枪连接使用。集束喷枪。为了进行大面积清洗，可以将喷嘴

13、布置在一个圆柱端面上，或将扇形喷嘴依次排列在一段直管上，同时喷到表面上的多股射流边沿重叠覆盖，扩大清洗表面积。平衡喷枪。这是一种无后坐力喷枪，特别适合高位立面清洗作业。平衡喷枪的工作原理是，在喷枪工作喷头的背面，安装一个出口向后的喷管。运行时，两股射流的反击力相互抵消。1.3 本论文主要工作1. 在查阅和学习了大量喷射清洗喷枪理论和方法的基础上，了解、熟悉了干冰清洗原理和高压水射流清洗机理，并掌握喷枪的核心喷管的设计原理。2. 在熟悉了本论文使用的一个喷管型线设计程序的基础上，用该程序进行算例设计，并获得了设计的结果数据。3. 对所设计的喷管进行了数值模拟。首先利用设计的结果数据在Gambit

14、软件中建立数学模型并进行了网格划分，然后用Fluent进行数值模拟，最后对数值计算结果与设计程序的参数值进行初步分析比较。第2章 两种工业物理清洗简介及机理2.1干冰清洗干冰清洗能迅速清除物体表面被烧烤之后所遗留下的污物，而且无有害磨蚀剂或其他溶剂残留；干冰清洗还可以除去敏感表面残留污物，甚至可应用于半导体工业。传统的清洗方法在航空和电力行业中的应用受到一定的局限，干冰清洗可以解决一些其他清洗方法难以解决的问题。因干冰清洗无水分及清洗剂残留，加上干冰清洗设备有可以调节长度的喷枪，使其在航空和电力两个领域得到了飞快的发展。干冰清洗（dry ice blast cleaning）又称冷喷（clod

15、 jet）,是以压缩空气作为动力和载体，以干冰颗粒作为被加速的粒子，通过专用的喷射清洗机喷射到被清洗物体表面，利用高速运动的固体干冰颗粒的运动变化（mv）升华熔化等能量转换，使被清洗物体表面的污垢油垢残留杂质等迅速冷冻，从而凝结脆化被剥离，且同时随气流清除。不会对被清洗面，特别是金属表面造成任何伤害，也不会影响金属表面的光洁度。干冰清洗的工作原理与喷砂清洗的工作原理相似，也是气流夹带固体颗粒的喷射清洗，也存在固体颗粒干冰对污垢表面的磨削冲击等作用；而干冰清洗更重要的是干冰的升华会使污垢迅速地冻结，从而使污垢脆化剥离达到清除污物的目的，虽然干冰也是固体颗粒状，但它在污垢表面会发生升华，其硬度远远

16、小于喷砂中的砂粒。因此，对被清洗表面的基体不产生机械损伤。而干冰升华挥发后以气体形式返回大气，不必像喷砂清洗中还需要砂回收过程。如果要清除类似涂料之类的污物，干冰清洗过程将在污物和基础件之间形成压缩张力波，其具有足够粘附力的能量能够脱除污物；如果清洗一些类似于油油脂腊等具有塑性或粘性的表面污物，则具有脆化刷洗作用。具体清洗过程包括：低温冷冻剥离吹扫剥离和冲击剥离。低温冷冻剥离 78.5的干冰颗粒作用在被清洗的物体表面时，首先冷冻脆化污物，污物在被清洗的表面上皲裂，由粘弹态变成固态，且脆性增大，粘性减小，使之在表面上的吸附力骤减，同时表面积增大，部分污物可以自动剥离。吹扫剥离在压缩空气作为动力的

17、环境下，其对脆化了的污物产生剪切力，引起机械断裂，由于污物与被清洗物表面低温收缩比差别很大，在接触面处产生应力集中现象，污物在剪切力作用下剥离。冲击剥离干冰颗粒在压缩空气动力推动下产生动能（E）和冲击力（F）： 式中，m为干冰颗粒质量（kg）；v为干冰颗粒在压缩空气作用下产生的速率（m/s）。·t = m·， = 式中，m为干冰颗粒质量（kg）；为干冰粒冲击被清洗表面前速率（m/s）；为干冰粒冲击被清洗表面后的速率（m/s）；F为冲击力（N）；t为冲击时间（s）。高速的干冰粒碰撞到增大了的污物表面时，将上述动能传递给污物，克服已经减小了的粘附力。因而产生的剪切力使污物随气流

18、卷走，达到了脱除污物的目的。干冰清洗属于剪切力作用下的污物清洗方法，不会损伤被清洗物表面，与摩擦力作用下的情况不同。2.2 高压水射流清洗2.2.1 高压水射流清洗作用简述清洗操作在工程上通常包括冲洗去污清垢除锈除鳞清洁疏通及洗消等。在不同的领域往往有不同的专业名词。水射流对物体表面的清洗机理是十分复杂的。从一般原理上看，水射流清洗是射流对被清洗物体表面的污垢层的破坏和清除的结果。当高压水射流正向或切向冲击被清洗面的污垢时，高压水射流具有的冲击作用、动压力作用、空化作用以及脉冲负荷疲劳作用等对物体表面将产生冲蚀、渗透、剪切、压缩、剥离、破碎，并引起裂纹扩散等效果。这些作用对清洗效果的影响，在不

19、同条件时可能同时起作用，也可能其中一项或几项起作用，高压水对污垢产生的上述各种作用的持续时间通常仅为几分之一微秒左右，而构成对物体表面垢层的物质及特性则是多种多样的。因此，清洗的效果取决于水射流对这些垢层组织的针对性。高压水射流对物体表面垢层的影响主要表现为以下几个方面： 水射流对垢层材料的软化； 水射流的穿透和渗入，引起垢层材料裂纹的扩展，加剧了垢层的破碎； 高压水射流的冲击，造成垢层的局部产生了流变和破裂带； 高压水射流的剪切作用使得垢层易于破碎； 高压水射流的切力和拉力作用使得垢层产生的脆性破坏作用； 高压水射流冲击将对污垢产生的剥离作用。 高压水射流或高速水滴冲击到物体表面后，表面径向

20、流动过程中将产生较大的剪切力，使表面垢层受到破坏。对于具有空隙的垢层，射流水在压力的作用下，在空隙也将产生很高的压力，从而使得结构连接削弱，导致垢层的进一步破坏。2.2.2 以渗透为主的破碎过程对于水可渗透，即水能渗入垢层之间的孔隙，并对垢层颗粒施加压力的各类垢层，当此压力大于颗粒之间的引力时，产生裂纹且一步一步地扩散，后面的射流又直接起压缩、剪切和水楔作用，从而使污垢产生裂缝、凹坑到全部剥落。在这个过程中起决定作用的是水的渗透引起的作用于垢层颗粒上的水压力，当该水压力足够克服垢层颗粒之间的黏着力时，垢层颗粒之间产生裂纹，在后续射流作用下，裂纹扩散、扩张，并逐步成裂缝，使其剥落。裂纹的扩散方向

21、和污垢的渗透方向、污垢结构有关，扩散速度与渗透速度有关。水射流的压缩、剪切和水楔作用也或多或少地促进了污垢破碎，加速污垢剥落，而且污垢破碎、剥落的方向与射流的工作方向有关。从渗透到剥落的过程可推知：当用水射流冲击一块可渗透性垢层时，产生凹坑的速度极限应等于水渗入污垢孔隙的速度。如果射流压力很低，使作用在垢层颗粒上的水压力小于其黏着力，水渗入垢层后，并在其内扩展，形成渗水区；当压力增大，是压力大于黏着力，垢层颗粒便从基体上剥离开来，此时谁路产生的压力型面积始终作用在不同的污垢上。由此可知渗入区的部位就是凹坑的极限位置，也可说明渗水区或多或少地比凹坑超前一定距离。当压力大小已知，射流又不战胜冲蚀作

22、用，压力不超过临界压力时就能计算出水对垢层颗粒的作用力，进而确定污垢破碎的临界压力。当射流速度达到某一临界值时，将在物料中形成应力波，加速物料破碎，对于垢层这种特殊的物料来说，这个临界速度很难得到，这主要是由于成垢条件对垢层的成分、结构影响所致。寻找这一临界速度对于小射流清洗也不经济。在实际清洗过程中，在满足压力条件下，垢层的破碎已经十分迅速，基本上不受射流速度的影响。在清洗中，为提高清洗效率，存在一个最佳横移速度问题，即射流横向扫污垢的速度。横移速度大，清洗速度快，效率就高，但有可能存在局部清洗不彻底和漏洗的现象。要充分发挥射流的水楔作用，使垢层剥离，一般应采用较低的横移速度。对实际操作的横

23、扫速度而言，确定具体的参考值意义不大。这主要应是根据污垢层的厚度、污垢性质及清洗质量要求，由操作者依据经验设定和控制。2.2.3 直接压缩和剪切为主的过程对于软黏的渗透性的物料垢，主要是通过水压力直接压缩和剪切引起破碎应力。当该应力按照一定的规律超过垢层的强度极限时，垢层将产生裂纹、裂缝，在后续水射流的水楔等作用下扩张成坑，最后达到垢层的全部破裂并被冲洗干净。按照弹性力学理论，水射流对污垢压缩和剪切引起的应力状态为三维空间应力状态。对此受力情况下的应力可按三向应力状态分析，可根据强度理论求解射流的压力，求解时，极限应力可取垢层的强度极限。由于垢层成分、结构的复杂，没有详细的性能应力-应变等参数

24、，目前只作为一种定性分析的方法，由实验确定水射流对垢层冲蚀的压力情况。此外，垢层成分、结构各异，从使用的角度来说，建立应力-应变等参数值没有多大的意义。对于非渗透软垢层，在15MPa高压水射流的作用下，垢层通常可迅速被除去，起效果一般优于化学清洗。第3章 喷管设计理论3.1 基本理论在超音速风洞中，要产生不同马赫数的超音速气流，必须满足三个条件1：一是风洞的上下游必须有足够的压力比，并且压力比随马赫数提高而增大；二是实验段与喉部必须保持一定的面积比，并且面积比随马赫数而变化；三是必须满足一定的流量要求。对于第一个条件，以工作段气流经过正激波直接进入大气的损失计算，则稳定段（即喷管进口）与工作段

25、出口的压力比如表1所示。对于第二个条件，根据等熵流公式（1） ，（为比热比） （1）气流在超音速喷管中加速所能达到的马赫数M2，决定于喷管出口（即工作段）面积A2和喉部面积A*之比。通过改变面积比就可以得到要求的马赫数。而喉部面积又受到第三个条件流量的限制，根据最大流量可以求得最大喉部面积A*max （2） 为最大质量流量，为喉部空气密度，为喉部气流速度（音速）。下面分别就喷管的收缩段和扩张段的设计1进行说明。表1 工作段马赫数与喷管进出口压力比的关系M1.522.53压力比1.491.742.43.563.2 收缩段设计根据超音速喷管的设计要求，到达喉部的高速流必须是均匀的亚音速，收缩段是将

26、稳定段来的气流均匀加速至音速。经验证明，如果稳定段来流是均匀的，只要稳定段相对于喉部的截面积收缩比足够大，则采用一条光滑连续而有渐变的收缩曲线就能基本满足要求。图1 收缩段设计图示收缩段如图1所示。进口处面积为A1，马赫数为M1；出口处为喉部面积为A*，马赫数为1。收缩段长为，从0到1，表示从进口开始的相对距离。设沿轴向的马赫数梯度为。当=0和=1时，。表示气流在收缩段进出口处的加速度为零。为系数，其值取决于气流经过收缩段的马赫数增量。积分上式得： ，即 当=1时，因而 （3）根据（1）式面积比公式，若A1和A*给定，则M1为已知，则由（3）式可计算任意处的M值，再根据（1）式，可计算出当地截

27、面积，因而收缩曲线可求得。3.3 扩张段设计图2 扩张段设计图示根据喷管设计的Foelsch方法1，理想气体轴对称喷管扩张段分为如图2所示的三个区域：区气体是从原点发射出的泉流，区将泉流整流直到区，区气流为具有相同马赫数的平行均匀流。在区中气流以原点O作为中心，成辐射形泉流，r=r* 相当于喉道处的情况，r>r*处是超音速流。各点的速度、马赫数和r的关系为： （4）a*为喉道音速，利用参考长度r*，参考速度a*进行无因次化：， 给定 ，空气是理想气体时，因此，（4）式化为： （5） 可得马赫数M和速度比W之间的关系： （6） 若B点马赫数已知，由（6）式得WB，再代入（5）式，可求出B点

28、半径RB，根据经验，B点马赫数选为比C点马赫数差0.2。由图2可得： （7） 当W=WB时，所以： 对于A点，其位置与选择的最大膨胀角A有关, A又与工作段马赫数有关，其关系如表2所示。表2 不同工作段马赫数下最大膨胀角的取值M1.5234A /（°）358 将A N等分，根据（7）式、（5）式可得BA线上各点的R值，进而可求出BA 线上各点坐标及相应点气流参数。轴线上原点至B点的速度分布由（5）式给出，而C点的马赫数是设计马赫数。那么，若我们假定，B点和C点的速度分布满足一个三次式： （8） 其中 ， 此三次多项式满足的边界条件为：时 W=WB ， 时 W=WC ， 并由 （9）

29、选定xc的值，把这些边界条件代入（8）式，经简化得： （10）这样一来，B点和C点的位置可以定出，参数也已知。而通过C点的左特征线为直线，此特征线上马赫数为设计马赫数。因此特征线端点E容易定出，将AB,BC,CE作为边界条件，利用三元特征线理论就可以求出它们构成的整个特征线网。3.4 特征线法简述图3 特征线法图示轴对称喷管中，气流特性是对称于中心轴的，可以只研究通过中心轴的xy平面的流态就决定了整个喷管的流态。如图3所示，左已知点定为P1(x1,y1),右已知点定为P2(x2,y2)，经P1的左特征线和经P2的右特征线交点为P3(x3,y3)。则P3坐标为: ， 其中为气流和x轴的夹角，为马

30、赫角。 ， 流向角和速度比之间有下列关系式： （11） （12）上述几个方程可以联立求解。“13”和“23”分别表示P1 、P3之间和P2 、P3之间的平均值，当P1、P2在BC线上时，y1=0、y2=0，同时1=0、2=0。因此，（11）和（12）式右边的第二项成为不定值。在BC附近近似泉流，所以： ， 因此，对应y1 =y2=0的场合，采用下列二式求解：， 实际运算中，初始13、23、W13、W23,分别用P1,P2值代入计算，然后逐次迭代提高计算精度，从AB、BC、CE上已知点出发进行计算，就可以求得整个喷管内的特征线网。3.5 喷管型线的确定及附面层修正在轴对称喷管设计中，只要给出过中

31、心轴的半纵截面坐标，喷管的形状也就唯一确定了。由（1）和（3）式可计算出任意截面处的截面积，求得各截面圆的半径，即y坐标值，x坐标可由相对坐标乘以给定的长度L得到，L可在设计过程中根据实际情况加以调整。扩张段区中TA的确定，采用圆弧加直线的方法。直线OA与x轴的夹角为最大膨胀角A，在OA的适当位置取一点N，T点与A点的连接采用圆弧TN和直线NA。一般使TN的半径为510倍的喉道半径。区中AE的确定采用流线追踪法，AE实际上就是喷管中的一条流线，ABCE的流场在前面的计算中已经得到，A点的坐标和流动参数已经知道，从A点开始沿气流角向前找与下一特征线的交点，新点的坐标和流动参数采用相邻两点作线性插

32、值获得，这样就可以得到一条流线AE。至此理想气体超音速喷管的整个型线就确定了。表3 不同工作段M数下附面层修正角的取值M1.546810/（°）0.50.71.52如果喷管按上述型线加工，而不经过附面层修正，则必然会出现两个问题，一是由于壁面存在粘性附面层，并且其厚度不断增加，因而改变了波系的形状，使达到喷管出口时得不到均匀的气流；二是附面层的存在减小了有效的流通面积，改变了面积比，使喷管达不到设计的马赫数。因此必须对喷管型线加以修正。基于现在附面层理论还不很完善，且计算复杂，工程上常采用一种相对简便的修正方法。它认为位移厚度*沿轴向是线性发展的，即存在x*=xtan，式中x*是x点

33、的位移厚度，跟工作段马赫数的值有关，可以按表3取值。虽然方法较为粗糙，但仍能得到相当满意的结果。3.6 小结本文喷管的布置方式为对喷式，每台设备采用两个喷管，总流量为18m3/min，喷管出口马赫数为2.5，最大进口压力为0.8MPa。对于实验模型，我们取喉部半径为10mm进行设计，为了能使气流平稳加速至音速，收缩段的收缩比取为10，扩张段按出口马赫数2.5进行设计。第4章 喷管设计程序介绍及算例设计4.1 喷管型线程序设计喷管计算程序主要由三部分构成，分别为收缩段计算程序、扩张段计算程序和后处理程序。本程序可完成对三元轴对称喷管的设计，得到喷管型线上各点的坐标。4.1.1 扩张段计算程序（具

34、体程序见附录1）程序变量： PI圆周率（3.1415926）； GAMA气体常数（=1.4）； RHOU喉部截面半径（与收缩段中ACHU要一致）； T0常温值（=293）； VB实验段马赫数对应的普朗特迈耶角（与工作段马赫数有关）， ； MIU出口马赫角（=arcsin(1/M)，与工作段马赫数有关）； FU附面层修正角。输出文件： RESLUT.DAT扩张段型线坐标，供后处理程序使用。4.1.2 收缩段计算程序（具体程序见附录2）子 函 数：QIUM(BI)，根据计算点面积与喉部面积的比值求出计算点处的马赫数。程序变量： PI圆周率（3.1415926）； N收缩段上所取得作标点数目；AJI

35、N收缩段进口处截面积； MJIN收缩段进口处气流马赫数； ACHU收缩段出口（喷管喉部）处截面积； MCHU收缩段出口（喷管喉部）处气流马赫数（MCHU=1）； L收缩段长度； A收缩段计算点处截面积； M收缩段计算点处气流马赫数。输出文件： SHOUSUO.DAT：收缩段型线作标值，供后处理程序使用4.1.3 后处理程序（具体程序见附录3）将收缩段型线坐标与扩张段型线坐标合并得到整个喷管的型线坐标。文件说明： SHOUSUO.DAT收缩段型线坐标； RESLUT.DAT扩张段型线坐标； ZUIZHONG .DAT整个喷管的型线坐标。按顺序分别运行收缩段（SHOUSUO.F）、扩张段（PENG

36、UAN.F）和后处理（POST.F）程序，即可得到ZUIZHONG.DAT文件，此文件为整个喷此文件管型线的坐标值。其中第一列数据为X坐标值，第二列数据为Y坐标值。沿喷管轴线为X轴方向、周向为Y方向，坐标原点为收缩段进口。在收缩段程序中，需要用户根据提示输入喉部半径值（mm），在段扩张程序中，需要用户根据提示输入喉部半径值（mm）、喷管出口马赫数。4.2 算例计算结果输入吼道半径5mm,出口马赫数2.5,得程序计算结果，见附录5。第5章 数值模拟5.1 FLUENT软件简介FLUENT软件是用于计算流体流动和传热问题的程序。它提供的非结构网格生成程序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以

37、生成的网格包括二维的三角形和四边形网格；三维的四面体,六面体及混合网格。FLUENT还可以根据计算结果调整网格，这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流场，因此可以节约计算时间。（一） 程序结构FLUENT程序软件包由以下几个部分组成：（1） GAMBIT用于建立几何结构和网格生成；（2） FLUENT用于进行流动模拟计算的求解器；（3） PrePDF用于模拟PDF燃烧过程；（4） Tgid用于从现有的边界网格生成体网格；（5） Filters 转换其他程序生成的网格，用于FLUENT计算。 （二） FLUE

38、NT程序可以求解的问题FLUENT软件可以采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格。FLUENT软件可以计算二维和三维流动问题，在计算过程中，网格可以自适应调整。FLUENT软件的应用范围非常广泛，其主要范围如下：（1） 可压缩和不可压缩问题；（2） 稳态和瞬态流动问题；（3） 无黏流，层流及湍流问题；（4） 牛顿流体及非牛顿流体；（5） 对流换热问题（包括自然对流和混合对流）；（6） 导热与对流换热耦合问题；（7） 辐射换热；（8） 惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟；（9） 用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒,水滴,气泡等）；（10） 一维风扇 ，热交换器性能计算；

39、（11） 两相流问题；（12） 复杂表面形状下的自由面流动问题。（三） 用FLUENT程序求解问题的步骤利用FLUENT软件进行求解的步骤如下：（1） 确定几何形状，生成计算网格（用GAMBIT，也可以读入其它指定程序生成的网格）；（2） 输入并检查网格；（3） 选择求解器（二维或三维等）；（4） 选择求解的方程：层流或湍流（或无粘流），化学组分或化学反应，传热模型等。确定其他需要的模型，如：风扇、热交换器、多孔介质等模型；（5） 确定流体的材料物性；（6） 确定边界类型及其边界条件；（7） 条件计算控制参数；（8） 流场初始化；（9） 求解计算；（10） 保存结果，进行后处理等。（四） 关于

40、FLUENT求解器的说明（1） FLUENT 2D二维单精度求解器；（2） FLUENT 3D三维单精度求解器；（3） FLUENT 2ddp二维双精度求解器；（4） FLUENT 3ddp三维双精度求解器。（五） FLUENT求解方法的选择（1） 非耦合求解；（2） 耦合隐式求解；（3） 偶合显式求解。非耦合求解方法主要用于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动，耦合求解方法则可以用在高速可压缩流动。FLUENT默认的设置是耦合求解，但对于高速可压流动，或需要考虑体积力（浮力或离心力）的流动，求解问题时网格要比较密，建议采用耦合隐式求解方法求解能量和动量方程，可较快的得到收敛解。缺点是需要的内存

41、比较大（是非耦合求解迭代时间的1.52.0倍）。如果必须要耦合求解，但机器内存不够是，可以考虑用耦合显式解法器来求解问题，该解法器也偶合了动量、能量及组成方程，但内存却比隐式求解方法小，缺点是收敛时间比较长。5.2 用Gambit建立模型利用上一章的程序，输入喉道半径5mm和马赫数2.5,得出一系列点(x,y,z)。将这些点导入GAMBIT软件中，显示的各点如图4所示。图4 喷管型线上的点将上面各点连接成线，再去除那些点得到如图5所示的一条线（即喷管型线）。图5 喷管型线再将上图的曲线绕x轴旋转，并选择个面，并构成体，再画出网格，得出三维网格。如图6。图6 喷管的一半网格4.3 用Fluent

42、软件进行数值模拟将网格导入FLUENT软件中，先把在Gambit软件中建立的半个网格对对称面对称一次可以得到整个网格（在附录4中）。其中边界条件设置注意，进口总压设置为6个大气压，出口总压为1个大气压。，得出喷管内的马赫数分布（在附录4中），可以看出喉道出的马赫数达到1，并且出口附近的马赫数达到2.51。第6章 结果分析本论文利用已有的程序，在可执行程序中输入喉道半径5mm，输入出口马赫数2.5，得到管道曲线。再利用GAMBIT建立模型和网格，在FLUENT软件（3D）中迭代计算出结果，得出马赫数分布图，FLUENT数值模拟计算的结果显示出最高马赫数为2.51。最后，本论文所述的程序计算的计算

43、结果与用FLUENT商业软件计算出结果两者误差只有0.4%，另外，在马赫数分布图中，马赫数是非常均匀的沿x轴方向逐渐增加，这些都充分验证了本论文中程序的正确性与精确性。致 谢从本论文开始到完成，一直都受到席老师的教导，席德科教授认真严谨的工作态度，使作者获益匪浅，在此致以诚挚的感谢！此外，师哥韩非飞同学教我使用软件，研究生张胜利给了大量的修改意见，在此对他们表示感激！参考文献1 杨林，唐川林，张凤华，高压水射流技术的发展及应用，洗净技术，2004，2（1）：914.2 卢晓江，何迎春，赖维，高压水射流清洗技术及应用,化学工业出版社，NO.1,2006.3 薛胜雄，高压水射流清洗技术及应用，化学

44、工业出版社.4 韩占忠，王敬，兰小，FLUENT流体工程仿真计算实例与应用，北京理工大学出版社.5 李玉柱，苑明顺，流体力学，高等教育出版社.6 沈忠厚著，水射流理论与技术，北京：石油大学出版社，1998.7 阿勃拉莫维奇，实用气体动力学，梁秀彦译，北京:高等教育出版社,1995.8 徐华舫，空气动力学基础，北京：国防工业出版社.9 (英)罗姆哈姆著，伟大的科学实验，廖启端译，北京：科学普及出版社，1985.10 Reshhoto,E.,Tucher,M.:Approximate Calculation of Compressible Bonudrary-Layer With Heat Tra

45、nsfer and Arbitrary Pressure Gradient,NACA TN 4.附录1：扩张段计算程序PROGRAM PENGUAN1 PARAMETER(PI=3.1415926)PARAMETER(GAMA=1.4)PARAMETER(T0=293)PARAMETER(N=100)PARAMETER(MN=50)C 附面层修正角FU PARAMETER(FU=0.5*PI/180) REAL R,AHOU,V,CHOU,ARFA,ACHU,MIUC,RTREAL RR,RRB,RRCREAL W(100),M(100),THETA(100)REAL W1(0:N,0:N),

46、W2(0:N,0:N),W3(0:N,0:N),W4(0:N,0:N)REAL M1(0:N,0:N),M2(0:N,0:N),M3(0:N,0:N),M4(0:N,0:N)REAL THETA1(0:N,0:N),THETA2(0:N,0:N),THETA3(0:N,0:N)* ,THETA4(0:N,0:N)REAL MIU1(0:N,0:N),MIU2(0:N,0:N),MIU3(0:N,0:N),MIU4(0:N,0:N)REAL RR1(0:N),RR2(0:N)REAL XTA(0:MN-1),YTA(0:MN-1),XN,YNREAL XNA(0:MN-1),YNA(0:MN-1

47、),XT,YT,XA,YA,XM,YM,BANJING,AMT1, *AMT2,AMTF REAL X(0:N),Y(0:N),XZONG(0:2*N),YZONG(0:2*N),THETAZONG(0:2*N)REAL X1(0:N,0:N),X2(0:N,0:N),X3(0:N,0:N),X4(0:N,0:N)REAL Y1(0:N,0:N),Y2(0:N,0:N),Y3(0:N,0:N),Y4(0:N,0:N)REAL MB,MC,WB,WCREAL XB,XC,XBAR,YE INTEGER K REAL H1,H2,WAREAL MEXIT,RHOU,VB,MIUOPEN(5,FILE=