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文檔簡介

1、噴口射流流場的數(shù)值模擬摘要 本文在對數(shù)學模型及物理模型進行理論分析的基礎上,基于k-8方程雙方程模型與SIMPLE算法, 運用模擬軟件6.1,對不同噴口流場進行了三維模擬,證實了射流流場與噴口內部流線有密切關系,并 對結果進行了分析比較,從而為噴口的優(yōu)化設計提供了依據。關鍵詞噴口;計算流體力學;數(shù)值模擬1引言目前,高大空間的空調一般采用分層空調的方式。該系統(tǒng)一般采用噴口送風,噴口的結構,位置對室 內氣流組織影響較大。國內的生產廠家較少涉足該噴口的制作,有的廠家盡管生產,無自己的性能參數(shù), 一般都套用國外產品的性能參數(shù).由于制造工藝等方面的原因,其性能參數(shù)與國外的產品不同,按此設 計其空調效果較

2、差。實踐證明,一些進口的噴口,空調效果比較理想。從物理角度而言,空調通風房間的空氣流動是由風口射流引起的,射流動量流量和質量流量對室內 空氣分布情況起關鍵作用。為了能準確的描述風口,產生了很多風口模型的模擬方法。就目前的研究情 況來說,比較廣泛使用的風口模型模擬方法1主要包括傳統(tǒng)模型法、基本模型法、動量方法、盒子方法 和指定速度方法。通常這些模型對末端裝置的特性不予考慮或考慮得不夠,模擬主要是針對室內的氣流 運動而進行的,而沒有模擬送風裝置內部的氣流刃。本文通過計算機直接模擬噴口形成入口邊界條件對 不同結構的噴口進行了模擬。2數(shù)學物理模型2.1風口模型計算機直接模擬噴口形成入口邊界條件是先從管

3、道到噴口出口處的三維區(qū)域進行模擬,得出出口斷 面處的各變量參數(shù),然后將此結果作為對室內空氣流動模擬的入口邊界條件。2.2基本方程Fluent6.1把連續(xù)方程、動量方程、能量方程寫成如式2.1所示的通用方程形式: TOC o 1-5 h z 8(p8)8入8巾)+ 汗 LP-W = %(2.DII式中:4 通用變量,如u , V , W , T , K, 8等;P 流體的密度,kg/m3 ;u. 速度矢量,m/s; 七通用變量,的有效熱交換系數(shù);S巾 變量的源項。如空調室內的氣流屬于常溫、常壓及低速下的流動,可以視為不可壓縮流動,但空氣的溫差產生的 自然對流對室內的流場和溫度場存在著顯著的影響。

4、對這類流動現(xiàn)象的描述引入著名的Boussinesq假 設,可以大大簡化所討論的問題。Boussinesq假設為:流體密度的變化并不顯著地改變流體的性質, 即流體的其它物性不變:密度的變化對慣性力項、壓力差項和粘性力項的影響可忽略不計,僅考慮密度的變化對質量力的影響。考慮質量力時,流體的運動方程為:pf.-iapaaxax. j(c aaxj(2.2)當考慮密度的變化僅是由溫度的變化引起的,并且質量力僅是重力的情況時,由熱膨脹系數(shù)P的1 av1 fap)定義式:(2.3) TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark20 o Current Document =I Iv

5、arpar)由(2.3)式可得:PPo =P&(T T0)(2.4)Pf = Pg =(P P)g +P g =p g。偵T )+p g (2.5)ii0 i 0 i0 i00 i上式中-P0 gi P(T T)即為流體溫差導致的所謂Boussinesq假設,代入運動方程(2.2)中得: HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 2 +(puu )=p g P(T T )+p g * + #*(2.6)ataxi j 0 i 00 i axaxaxii 八 j J表2.1廣義擴散系數(shù)與源項取值4r4S4100upeffdp aax axfaup、eff

6、 ax.avp、eff ax /aw p、eff ax /P g TT )+p g 0 x00 xVPeff旦+qay ax、aU p ef ay)+ay、av p ef ay)+瓦faW四 eff ay)P0 gy TT)+P0 gywReffdp d dz dXdu uR N k eff dz)d (dv += R dy eff dz)d(+一dzR 當-P g TT)+p g 、eff d)0 z00 zTR -fbT0K(R -fbKG pee%be cG c pe)G = R (3.1)式中r0、是噴口進口和出口截面的半徑,l為噴口進口到噴口出口的距離,x為壁面上任一點至噴口 進口的

7、軸向距離。噴口d為某公司生產的噴口。3.2初始條件五個噴口的計算條件完全相同,外流場的計算域為20dX5d,計算域的入口采用速度入口邊界條件, 入口速度設為10m/s,出口采用出流條件,給定環(huán)境壓力;固壁處采用無滑移邊界條件,計算域及網 d的部分網格圖3.2噴口 a、b、c、d的部分網格示意圖3.3結果分析從圖3.3,3.4噴口速度矢量圖看(顏色深或淺表示速度大或?。?,四個噴口的軸心速度都較高。噴 口 b較噴口 a軸心速度大,說明噴口 b較噴口 a對氣流的阻滯作用大。噴口 c與噴口 d速度分布基本一直一致。從速度顏色深度可以看出噴口a、b速度變化從接近出口突然開始,而噴口 c、d速度變化從噴

8、口內部沿流道曲線較緩變化。從圖3.5,3.6噴口速度矢量圖看,對于收縮噴口 a、b在出口附近的速度場差異較大,若噴口內部 設計為維多辛斯基及樣品噴口就可以獲得更好的流場參數(shù),有利于提高噴口的工作效率。從圖3.7噴口軸心速度分布看,噴a、b軸線上的速度最大值基本相同,噴口 c、d的速度最大值基 本相同。噴口 a、b較噴口 c、d的速度最大值大,但噴口 a、b軸心速度衰減較噴口 c、d快,噴口 d 衰減最慢。從該圖上可以看出噴口內部氣流速度變化情況:噴口 a、b內部軸線上的速度經過速度增大一-不減一-增大減??;噴口 c、d軸線上的速度則經過增不變一 增減小。噴口 a速度最大值在(5,2.3)處,噴

9、口 b在(7,2.2),噴口 c、d在(2, 3.7),由此可以看出在相同條件下,錐角越大,對射流的阻滯效果越明顯,內部流道為維多辛斯基曲線 的噴口 c及樣品噴口 d對射流的阻滯最小。通過圖3.8可以看出,出口截面r/r0在0.8以下時,噴口 c、d無因次速度u/u基本一致,均小于 噴口 a、b的速度且噴口 b的速度最大。出口截面在0.81.0時,速度由大至小的噴口依次為噴口d、c、 a、bo從圖3.9,3.10中可以看出,噴口a、b出口截面靜壓變化大,總壓衰減快。內部流道為維多辛斯基 曲線的噴口 c及樣品噴口 d其出口截面產生的橫向壓力梯度及分速度逐漸減小,從而得到較均勻的速度 場,樣品噴口

10、d較噴口c流場更均勻。a.36c*012.2 4 012.00.1*011.S9e*011.E&+51.53+O11.41EJ1i.3i:it+i:n1.18.2*01U:i&e*01943c*008.35(*00?.0?c*005.89*004.71-i*OO3.53*002.36.1*001.1 如+口口Aug 31. 2004IXDETfT 6.1qegreg誠ed, rngke)圖3.3噴口 a、b的速度分布圖12-1 h Ml I jrijjrri1 JW-LDI LMaPI 15“頑1MrHM I古gIIOmOI 13901 S.KMC* ?.7Q*W泅頑 AM頑jairiboo臨

11、夠(m/s)圖3.6噴口 c、d的速度矢量圖5101520 x/d2.00 1.51.00.50300.00.20.40.60.81.00.0 00.0r/r0圖3.7噴口軸線的無因次速度分布 圖3.8噴口出口截面的無因次速度分布1.0圖3.10噴口出口截面的總壓分布0.00.20.40.60.8r/r0圖3.9噴口出口截面的靜壓分布1.01271.01261.01251.01241.01231.01221.01211.01201.01191.01181.01171.01161.01154結語CFD模擬越來越廣泛地應用于解決暖通空調領域的空氣流動和換熱問題。合理地給定入口邊界條 件對于得到正確的模擬結果是很重要的。本文通過計算機模擬噴口形成入流邊界條件對噴口流場數(shù)值模 擬是可行的。這種方法入口速度的設置特征尺度都與實際的物理模型保持一致,保證了射流擴散和衰減 的正確性,較好地描述了射流過程。而且它還有其它的優(yōu)勢,不需要測量風速,入口速度分布是根據風 量通過模擬計算出的,根據模擬結果可得出風口的特性。樣本噴口與標準噴口在分析的幾方面,特性基 本一致,而實際工程運用中對樣本噴口反映良好,制造商可以根據這一特性研究噴口的制造模具,制造 出適合實際工程的噴口,因此這種對噴口流場數(shù)值模擬的方法對開發(fā)新型產品是重要且必要的。參考文獻:趙彬,李先庭,彥啟森.室內空氣流動數(shù)值模擬的風

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