【基于扩张喷嘴结构的熔喷流场模型的建立与数值计算分析案例8700字（论文）】

基于扩张喷嘴结构的熔喷流场模型的建立与数值计算分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u24915基于扩张喷嘴结构的熔喷流场模型的建立与数值计算分析案例 1236981.1熔喷气体流场数学模型的建立 167981.1.1湍流模型方程 2287071.1.2质量守恒方程 394011.1.3动量守恒方程 3315231.1.4能量守恒方程 478951.2熔喷气体流场几何模型的建立 5298451.1.1几何模型的创建 5204091.1.2流体区域和边界层的网格划分 831701.3流场数值模拟 116701.3.1求解器的选择 1261301.3.2控制方程的选择 12147931.3.3边界条件的设置 1243471.1.4其他参数的设置 14283341.4熔喷气体流场数值模拟结果与分析 1580421.4.1熔喷气体流场模拟结果 1552911.4.2轴向上气体速度分布 19122251.3.3截面上气体速度分布 19313331.3.4加装和不加装的喷嘴气体流场模拟结果的比较 201.1熔喷气体流场数学模型的建立物理守恒定律是流体运动的必要条件。基本的物理守恒方程包括：质量方程、能量方程、动量方程和湍流模型方程。本文研究的重点是加装扩张喷嘴的熔喷双槽形喷嘴气体流场的速度分布，由于给定初始温度为623K，因此需要考虑到气流和壁面发生热交换的情况。此外，还要考虑流场中的湍流对轴线上的速度波动的影响。本文研究的壁面材料是钢，而流体主要是不可压缩的空气，不存在和其他成分互相混合的情况，因此不需要遵守组分守恒方程。本节将给出喷射流场模拟过程中所用到的基本方程。1.1.1湍流模型方程流体的流动状态可分为层流和湍流。流体流动时，如果其质点的轨迹是有规则的光滑曲线，那么这种流动就叫做层流，而没有这种性质的流体流动叫湍流。流体流速越大，边界层厚度越薄，湍流程度也越大。流流体力学中大量的理论和试验数据表明，流动状态是由雷诺数的大小决定的。雷诺数Re的定义为：Re=ρud式中，μ为动力粘度；ρ为密度；u为平均流速；d为管道直径。一般来说，Re＜2300时流体的流动为层流状态，2300＜Re＜4000时流体的流动为过渡状态，Re＞4000时流动为湍流状态。根据以往研究熔喷喷嘴拉伸热空气流场的雷诺数较大，即本文中模拟的熔喷双槽形喷嘴内外部流场的流体流动属于湍流。在使用CFD软件进行数值计算时，需要选择合适的湍流模型进行流场运算。在Fluent软件中有多种湍流模型可以选择，较常用的是针对高雷诺数流场模拟提出k-双方程模型，该模型可分为标准k-模型、可实现(Realizable)k-模型以及重整化群(RNG)k-模型三种。根据以往学者的研究表明，标准k−模型具有较高的稳定性，但在模拟旋流及各项异性较强的流体流动时会出现一定的失真。可实现k-模型的优点在于可以保持雷诺应力与真实湍流一致，但在旋转滑移网格等计算中会产生非物理湍流粘性，因此计算时需要慎重选用。而RNGk-模型是标准k−模型的基础上经过修正得到的模型，该模型可以明显地提高流体在弯曲壁面等模拟时的精度。本文采用RNGk-∂ρk∂(ρkv其中:(2-9)式中，是由于平均速度梯度引起的湍动能产生项；是由于浮力引起的湍动能k的产生项；代表的是可压缩湍流中脉动扩张的贡献；vi是平均速度；、和是经验常数；αk和αε分别是与湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数；Sk和Sε是用户定义的源项；μeff、Rε为RNGk-模型多出的修正参数，修正参数的增加使RNGk-模型相较于标准k-模型对流线弯曲和强旋流的影响能作出更好的反应。1.1.2质量守恒方程任何流体流动都需要满足质量守恒定律：单位时间内从控制面流进和流出控制体的流体质量之差，等于单位时间该控制体质量增量。根据这一定律，可以求出质量守恒方程：∂ρ∂t其中，是流体密度；t是时间；va,x、va,y和va,w是气流速度在x、y和w方向的速度。在流体力学中，连续性方程可以适用于各种流动情况。式(2-1)是瞬态三维流动的质量守恒方程，由于本文模拟的是二维定常稳态流动，流体密度不随时间变化，加之为对称流场，因此公式(2-1)需要变为：∂v1.1.3动量守恒方程在任何连续流动的系统中，流体运动同样需要满足动量守恒定律。动量守恒定律是指：任何控制微元中流体动量对时间的变化率等于外界作用在微元上各种力之和。在本文中，研究的是定常状态下的拉伸热空气气体流场模型，物理量不随时间变化，所以不会有对时间的偏导数，由此可导出动量方程：divρdivρ式中，p是流体微元体上的压力；、、和是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力的分量；Fx和Fy是微元体上的体积力。1.1.4能量守恒方程能量守恒定律是流体间存在热交换的流动系统必须遵循的基本定律。该定律可以这样理解：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热量加上体积力与表面力对微元体所做的功。流体的总能量E通常为动能EK=12va,x2+va,y2+va,w2divρ式中，Ta为气体温度；cp为比热容；为流体的传热系数；为粘性耗散项。1.2熔喷气体流场几何模型的建立1.1.1几何模型的创建300mm160mm传统熔喷喷嘴的工作原理是将气流从喷丝孔处直接喷射到开放空间中，但由于空间中存在大量的静止气体，喷射气流的速度和温度将迅速衰减。上图2-1为加装扩张型喷嘴的熔喷双槽形喷嘴内部气流通道与外部流场的结构示意图，高温高速热空气从喷丝孔中喷出后，在梯形区域构建的半封闭空间中运动，进而扩散到外部流场中。由于300mm160mm图2-1喷嘴内部气流通道及外部流场示意图在熔体纺丝过程中，从喷丝孔喷出的细流会在拉伸过程中慢慢冷却直至凝固，拉伸纤维直径基本不再改变的点叫做“固化点”。熔体离开喷丝孔后固化过程的距离越大，纤维的直径就越小。Haynes和Milligan等人的研究表明：聚合物熔体离开喷丝孔后拉伸变细的总距离小于100mm，且在离开喷丝孔20mm-50mm后会固化。基于此，设置梯形喷嘴沿轴向长度为50mm,外部流场竖直方向模拟区域长度300mm，水平方向扩散边界长度设置为160mm。图2-2为加装扩张辅助喷嘴的熔喷双槽型喷嘴的截面结构示意图，主喷嘴入射角度和喷射角度均为60，气槽口宽度为0.6mm，头端为聚合物熔体的喷丝孔，梯形扩张喷嘴的槽口宽度为0.5mm。图2-2加装扩张辅助喷嘴的熔喷喷嘴截面示意图以往的研究发现，同一熔喷机器不同截面宽度（z轴）的气流速度分布曲线基本相似，因此，在模拟时，可以将三维流场简化为二维流场进行模拟。此外，由于熔喷双槽型喷嘴模型以喷丝孔轴线为轴呈对称分布，且两股高速气流分别以相同速度大小入射，因此在实际模拟过程中，只需画出一半的流场几何模型并对其进行数值计算即可，这样做可以大大节省模拟时间，提高计算效率。如图2-3所示即为实际模拟的流动区域，图2-4所示为模拟区域喷嘴部分的尺寸放大图。在进行模拟之前，首先需要对所研究的气体流场建立一个几何模型，无论是层流、湍流还是多相流，都应在该模型中进行。几何模型分为二维和三维模型（实际上所有的模型都可以看成是三维的，因为在Fluent里会默认给定一个深度）。常用的建模软件有CAD、Solidworks等，本文选择了Ansys软件包自带的前处理软件DesignModeler对熔喷扩张型喷嘴及其外部气流流场建立几何模型，可以在建立好模型之后直接导入软件包里的网格划分软件中，从而减少由于系统误差导致的网格质量变差问题，图2-5为几何模型直接传递到网格划分过程示意图。图2-3流场模拟区域示意图图2-4流场的模拟区域喷嘴尺寸放大图几何模型创建方法如下：首先在xoy平面上创建一个新的草图，在草图上按顺序创建不同长度的线段，通过维度标注改变线段和角度的大小，通过打断命令裁剪多余的线条，生成熔喷模型的几何框架。由于Icem网格划分软件只能识别二维平面，因此通过概念-草图表面的方式创建平面，并以stp的格式将模型导出。图2-5几何模型直接传递到网格划分过程示意图1.1.2流体区域和边界层的网格划分在建立好扩张型喷嘴气流流场的几何模型之后，还需对模型进行网格划分才能导入Fluent软件进行数值计算。常用的对网格进行划分的前处理软件有Gambit、Meshing、Icem等。Gambit是古老也是最早使用的网格划分软件，作为Fluent的网格生成前置软件，主要针对Fluent生成非结构网格。Meshing和IcemCFD是Ansys软件包中自带的两个专门用于画网格的软件。Meshing中的算法部分来源于Gambit，自动划分非结构化网格的功能很强大，但划分结构化网格的功能较差，多适用于复杂三维几何模型的划分；而IcemCFD作为专业的前处理软件，既可以划分结构化网格也可以划分非结构化网格，其Block功能既高效又容易上手，网格生成速度快且质量好，近年来逐渐取代了Gambit的地位。因此就划分结构化网格的功能性来说，Icem具有非常显著的优势。本文使用Icem前处理软件对基于喷嘴内部结构的熔喷气体流场区域进行网格划分。由于本文模拟的是高速下喷嘴内外部流场中的气体流动，雷诺数较高，因此流场中的流体处于湍流状态。在大雷诺数的绕流中，由于作用于流体的惯性力远远大于粘性力，因此粘性力相对于惯性力可以忽略，可将流体视为理想流体，流动视为无粘性流动；但在紧贴在物体壁面薄层内，由于存在强烈的剪切流动，法向速度梯度很大，粘性力与惯性力处于相同的数量级，从而不能忽略。附面层是指当粘性流体以大雷诺数平滑地绕流静止物体时，在壁面附近出现的一个由流速由壁面上的零值迅速增至与来流速度相同数量级的粘性薄层，又称为边界层。边界层底部粘性很大，流动几乎为层流，湍流应力不起作用，此外，由于本文采用了模型为RNGk-epsilon的湍流模型，常用于求解湍流主要区域的流场计算，因此将边界层，也就是近壁面区域速度递增的网格进行加密处理可以有效改善湍流，使之更加贴近实际流动情况。又因为整个模拟区域形状比较规则，因此采用结构化网格分块划分的方法。具体划分步骤如下：速度入口壁面压力出口2压力出口1速度入口壁面压力出口2压力出口1对称轴图2-6模型边界类型定义示意图进一步，建立块。块（blocking）是一种规则的几何结构，具备映射特性。块中的每一条边都能找到几何模型中的另一条边与之对应，每个面也都能找到另一个面与之对应。设置块为“2Dplanar”二维平面，接着选择“SplitBlock”对块进行划分，用“DeleteBlock”将不需要的区域删除掉；选择“EditAssociations”将块与几何模型结构进行节点的关联和边的关联。图2-7为划分块过程示意图。做好关联之后，选择“globalmeshsetup”对网格尺寸进行设定。先在“globalelememntseedsize”项输入“maxelement”为0.6，即网格最大尺寸为0.6mm，接着选择“pre-meshparameters”中的“updateall”将网格尺寸传递到块上，对整体网格划分情况进行预览。图2-7划分块过程示意图然后，选中“edgeparams”对边界层网格进行调整，经过多次修改,最终确定各边参数如下：梯形区域对称轴及与对称轴相平行的线上节点数设置成170，spacing1,即最末端第一个网格设为0，比例因子1设为2，spacing2设为0.01，比例因子2设为1.1；矩形区域对称轴及与对称轴相平行的线上节点数设置成500，spacing1设为0.5，比例因子1设为2，spacing2设为0，比例因子2设为2；扩张喷嘴气槽口壁面（b/2）节点数设置成50，spacing1设为0.01，比例因子1设为1.2，spacing2设为0，比例因子2设为2；喷气口处（e）节点数设置成20，spacing1设为0.01，比例因子1设为1.2，spacing2设为0.01，比例因子2设为1.2，该区域网格呈中间疏两边密对称分布；主喷嘴气槽口壁面（f/2）节点数设置成10,其他参数设置和喷气口处相同。划分完成的喷嘴局部区域网格如图2-6所示，共生成网格92354个。图2-8为喷嘴局部区域网格划分图，图中绿色部分颜色越深表示网格划分地越密。网格质量检查结果良好，determinant3×3×3行列式0.9-1（标准值>0.6），Minangle最小值>54°（标准值>18°），Orthogonalquality正交质量>0.8，满足导入fluent进行模拟计算的条件。图2-8喷嘴区域网格划分图1.3流场数值模拟网格划分完成后，可以将模型进行流体力学仿真模拟。流体仿真模拟的一个突出的优点是可以在计算机里直接验证各种设计方案，大大缩短了开发周期和制作样品的费用。CFD（ComputationalFluidDynamics）是计算流体力学的简称，它是将流体力学的控制方程中积分、微分项近似地表示为离散的代数形式，使其成为代数方程组，然后通过有限体积法求解这些离散的代数方程组，获得离散的时间/空间点上的数值解。Fluent是当下国际上比较流行的商用CFD软件包，基于CFD软件群的设计思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。Fluent的求解流程如下：输入网格文件——网格操作——选择求解器——选择物理模型——定义流体属性——定义操作条件——定义边界条件——定义参考值——求解方法及参数——设置收敛监视——设置初始条件——迭代计算——保存结果。本文使用Fluent16.3软件，对加装扩张型喷嘴的熔喷二维气体流场进行了有关速度的数值模拟。1.3.1求解器的选择Fluent16.3的求解器分为基于压力和基于密度两种。两种算法都可以广泛应用于流动情况，但在某种情况下，使用其中一种的效果可能会更好。Pressure-basedsolver是基于压力法的求解器，以标量的形式求解控制方程；Density-basedsolver是基于密度法的求解器，以矢量的形式求解控制方程。前者对应分离式求解器（SegragatedSolver），擅长求解低速不可压缩流动和微可压流动，后者对应耦合式求解器（CoupledSolver），擅长求解高速可压缩流动。然而近期，这两种方法都被拓展到可以适用于大多数流动条件，而不仅仅局限于传统的应用范围。本文中流体的速度为300m/s，马赫数（流场中任一点流速与该点因素的比值）约为0.88＜1，可以看成不可压缩流体，选择基于压力的求解器对熔喷气体流场进行数值计算。考虑到速度和温度的耦合作用，故选择压力求解器中的“Coupled”算法进行数值计算。1.3.2控制方程的选择本文研究高温高速气流，热空气从气槽喷出后与外界存在热交换，所以在“Define-Models-Energy”中，选择“EnergyEquation”能量方程。本文采用高雷诺数的RNGk-epsilon模型来求解处于湍流核心区的流体流动，在“Define-Models-ViscousModel”中选择“k-epsilon(2eqn)”两方程湍流模型，“k-epsilonModel”下选择“RNG”，经验常数“C1-Epsilon”和“C2-Epsilon”参照Krutka的研究分别设置为1.44和1.92，其余参数保持默认。1.3.3边界条件的设置在“Define-BoundaryConditions”中对各边界条件的参数进行设定，具体设置参数如下：速度入口边界条件的设置。由于本文使用是为高温不可压缩的空气，给定初始速度为300.m/s，故在数值计算时选择速度入口边界，在软件中将入口设置为“velocity-inlet”速度入口，由于初始射流以60°的角度入射，因此轴向（x轴）和径向（y轴）分速度的比值为根号3比1，选择“MagnitudeandDirection”方法，设定X方向的流动分量“X-ComponentofFlowDirection”为0.866，Y方向的流动分量“Y-ComponentofFlowDirection”为-0.5，（入射方向为流出计算域的方向）。由于入口流速小于音速，因此忽略初始总压“Supersonic/InitialGaugePressure”,设为0Pa，温度设置为623K。压力出口边界条件的设置。首先选择边界类型为“pressure-outlet”压力出口，“Momentum”中，“GaugePressure”设为101325Pa，“BackflowTurbulentIntensity”设为10%，“BackflowTurbulentViscosityRatio”设为1，“Thermal”中，温度设置为300K。对称轴边界条件的设置，选择对称轴类型为“symmetry”。壁面的边界设置如下：墙壁为无滑移壁面边界“MaterialName”下选择“steel”，温度设置为523K。1.1.4其他参数的设置使用Fluent软件打开划分好的熔喷双槽型喷嘴的mesh网格，读入后计算域的尺寸单位由原来的m改为mm，再对气体流场区域的网格进行检查，最大网格体积为9.166327e-01m³，最小网格体积为8.899001e-05m³没有负体积，因此具备运行计算的条件。本文模型中模拟的流体为不可压缩空气，在“Define-Models-Solver”中的“Solver”下选择“PressureBased”；因为模型是二维平面，故在“Space”下选择“Plannar”；模拟的是定常流动，故在“Time”下选择“Steady”。在“Define-Materials”中“fluid”参数保持默认，墙壁材料“steel”从“FluentDatabase”里选取。Fluent中表压指的是真实压力与大气压之间的差值，是一种相对压力，而操作压力属于静压，总压则是静压和表压的和。由于将气体看成不可压缩流体，压力出口的表压为0，即和外界无相对压力，因此操作压力“OperatingPressure”保持不变，仍设为101325Pa。在“Controls”里设置库朗数“FlowCourantNumber”为200，动量“Momentum”和压力“Pressure”均设置成0.5。“Density”和“BodyForces”设为0.8。“TurbulentKineticEnergy”和“TurbulentDissipationRate”设为0.5。“TurbulentViscosity”和“Energy”设为1。在“Solution-Initialion”中的“ComputerFrom”下选择“inlet”，然后选择“Init”对流场进行初始化。在“Solve-Monitors-Residual”中设置数值计算时的收敛条件，设置湍流动能方程的收敛标准为10-4，其他均为10-5。1.4熔喷气体流场数值模拟结果与分析1.4.1熔喷气体流场模拟结果模拟迭代步数1354步达到规定的精度。此时能量曲线和Y方向速度残差曲线降到10-7以下，连续性残差曲线降到10-5以下。图2-9和图2-10是加装扩张喷嘴的熔喷气体流场的速度分布云图和喷嘴区域速度放大图。从图2-9中整体可以看出，两股高温高速气流在以一定的角度从喷嘴中喷出后，在梯形区域速度衰减到120m/s以下，并逐渐沿径向和轴向扩散到外部气体流场中。图2-10喷嘴区域气体分布放大图进一步表明，拉伸热空气（轴向分速度约259m/s，方向沿x轴正方向，径向分速度约150m/s，方向沿y轴负方向）从喷嘴中喷入梯形半封闭区域后，速度先是出现了一定程度的衰减，这是因为此时两股射流还未发生碰撞，随着喷出距离的增加速度耗损；接着，两股射流在喷丝孔轴线下某个位置会聚，发生碰撞，径向也就是水平速度分量方向相反因此相互抵消，轴向遵循速度的矢量相加法则，逐渐增大至接近音速。完成会聚后，随着气流继续向流场下游移动，拉伸热空气的速度逐渐减小并趋于平稳，随着距离的增加，逐渐向外扩散最终慢慢沉没至周围的气体环境中。图2-9喷嘴内部及外部流场气体速度分布云图图2-10喷嘴区域速度放大图图2-11和图2-12是加装扩张喷嘴的熔喷气体流场的速度分布矢量图和喷嘴区域速度矢量放大图。在以上分析的基础上，两幅图的箭头运动表明，在两股射流会聚前，喷丝孔附近的的一小部分气流呈封闭状态做旋转运动，即出现了小尺度回流区（ReversedFlowField）。该结果与吴[26]等人的研究结论吻合。此外，在梯形辅助喷嘴中的边缘也出现了两股尺寸较大的回流区域。这是因为与周围气流相比，中心线上气体流速相对较大，压强相对较低，导致热空气向内挤压并向下流动，在惯性力的作用下，梯形区域内的两端在流量接近零的热空气向上发生回流。回流的存在不利于聚合物的拉伸，同时也影响了两股射流在汇合前的速度。此外，由于本文把从喷嘴喷出的气体视为不可压或微可压流体，且初始气流速度未达到超音速，因此在合并的气流区域没有看到明显的马赫盘（当气流以超音速和低于外部大气的压强离开喷嘴时发生的一种气体现象，气流呈现等间距圆环的形状）。图2-11喷嘴口附近速度分布矢量图图2-12喷嘴口附近速度分布矢量放大图1.4.2轴向上气体速度分布图2-13为加装辅助喷嘴气体流场的速度沿轴向分布曲线图，从图中可以看出轴线方向上热空气的速度在很小的拉伸范围内突然出现了短暂的下降，这是由喷丝孔下方的回旋气流造成的。随着两股气流在喷嘴下方迅速合并，气流速度曲线很快上升，速度在极短的时间内增大到初始速度的约1.1倍，与上文速度矢量图中所看到的箭头颜色相吻合。紧接着，轴向上的速度开始急速衰减，在未到一半距离处就已经衰减了一半以上的速