喷雾干燥过程中喷流流场的数值模拟

喷雾干燥过程中喷流流场的数值模拟

主喷是喷织机的重要部件。内部结构复杂，体积小。内气流属于三维水流，涉及气、固两相相互作用和气-气界面运动，使主喷流场的理论研究和实验变得复杂。FLUENT软件是目前处于世界领先地位的计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)软件,是研究流体流动的理想工具.运用FLUENT软件可以实现通过对喷嘴流场的数值模拟,形象而直观地获得各项流动参数.1高压气流进入第一气室的过程模拟求解图1为喷气织机主喷嘴的结构图.喷气织机主喷嘴由喷嘴芯、喷嘴体和导纱管3部分构成.由主气包喷入的高压气体经入口进入第一气室,产生高速涡流,经整流槽进行整流,使湍流“层流化”,整流后的气流经过亚音速加速区和喉部后到达跨音速区.本文的模型对高压气流从进入第一气室运动至纬纱引射区这段过程进行模拟求解.2几何模型的建立主喷嘴内的气流是一种高速涡流,经整流后产生复杂流动.为了能够清晰而快速地描述管内的气体流动状况,本文对主喷嘴内流道模型简化后再进行模拟求解.利用三维绘图软件Solidworks建立几何模型,导入到FLUENT前处理软件Gambit中划分网格,再读入FLUENT中对内流道模型的相关参数进行设置并完成求解.(1)几何模型的建立由于主喷嘴内流道三维模型比较复杂,FLUENT前处理软件Gambit无法精确有效地建立其几何模型,因此,本文借助Solidworks建立图2(a)所示的主喷嘴内流道的几何模型,并保存为stp格式的文件.(2)主喷嘴内流道网格特征将上述stp文件导入到Gambit中,根据主喷嘴内流道模型的特点,采用非结构的四面体网格来划分网格,如图2(b)所示,网格数为166677个.(3)力的大小计算喷嘴入口为第一压力入口,数值为供气压力的大小,本文计算取0.4MPa;模型右端面为出口,同时将出口类型设为压力出口,并假设其压力为1个标准大气压.(4)维湍流模型本文研究的是三维模型,且对象为高速流动的气体,采用耦合求解器能更准确有效地求解,湍流模型则采用标准κ-ε二方程湍流模式.根据κ-ε湍流模型,可以建立三维坐标系中流场的控制方程.在标准κ-ε模型中,κ和ε是两个基本未知量,本文涉及的主喷嘴内流道为三维问题,与之对应的输运方程为:−ρu′iu′j———=μt(∂ui∂xj+∂uj∂xi)−23ρkδij(1)-ρu′iu′j———=μt(∂ui∂xj+∂uj∂xi)-23ρkδij(1)式中:ρ为密度;u为速度;μt为湍流黏性系数;x为位移;k为体积压缩率;δ为边界层厚度.(5)壁处理采用默认固壁处理.(6)空气动力学模型假设主喷嘴内气流为理想气体.物理参数为等效温度下的常量,则流道内流体的流动满足连续性方程以及动量方程.空气的物理参数:密度ρ=1.125kg/m3,动力黏度η=1.7894×10-5Pa·s.3fluen残差迭代模型观察残差曲线是判断计算是否收敛的最简便的方式.图3为FLUENT对网格模型进行迭代计算的残差曲线,横坐标为迭代次数,纵坐标为迭代残差值.从图3可以看出,各曲线相互之间残差值差别不大.FLUENT一般默认迭代残差值10-3为收敛判据.图3显示,模型开始求解计算后,各曲线残差值均越来越小,迭代153次后,各曲线残差值均在10-3附近,由此判断,计算收敛.3.1气流进入推动内流道速度分布在湍流状态下对导入的内流道网格模型进行模拟求解,得到如图4所示的主喷嘴内流道纵剖面内整体速度分布和图5所示的内导纱管口局部速度分布.从图4可以看到,进入第一气室的气流较紊乱,经过整流区后趋于平稳,尾流区中气流速度有所下降,进入锥形区后,气流才进入稳定加速轨道,当气流进入喉部时,流体速度变化表现出一定的规律性,矢量箭头主要沿着x轴正方向,在引射区湍流核心处,速度分布相差不大,气流比较稳定.通过图5的导纱管口局部速度矢量图可以看到,气流在导纱管口出现回流,模拟结果与文献分析一致,同时可以看到进入纬纱引射区后气流速度趋于平稳.图6为内流道内迹线分布云图,可以看到,主喷嘴内流道中的流体发生了旋转,沿y轴自正向负(由上到下)旋转速度越来越大.由于内流道壁面和流通面积的不断变化,流体流动状态也随之改变,经整流槽后速度变化趋稳.进入喉部,流体速度被导向为x轴正方向,而且速度较高并趋于稳定.图7为内流道纵剖面内的速度分布,该图由纵剖面y轴正向(上)和y轴负向(下)叠加形成.可以看出流体湍流流动速度基本呈现V形,说明高速气流(位移=2～5cm)进入气室速度开始下降,进入锥形区开始加速,并且上半部分气流与下半部分气流同时在喉部(位移=25cm)达到最大.3.2内流场的压力分布图8为纵剖面内压力等高线图,可以看出,高压气体进入气室后压强产生剧烈变化,进入锥形区后逐渐稳定,且越来越小,并在喉部达到最小,之后略有上升.图9为内流场纵剖面内的压力分布.从图9中可以看出,气流从进气孔喷进,压强下降,在整流区与尾流区基本稳定,随后在锥形区迅速下降,并同时在喉部(位移=25cm)达到最小(同时速度最大),随即进入引射区略升趋稳.4局部回流和内压保持运动学(1)FLUENT软件能够很好地模拟主喷嘴内流道三维模型的流动状况.当气流在内流道中充分运动以后,虽然进入导纱管时出现局部回流,