噴霧干燥過程中噴流流場的數(shù)值模擬

噴霧干燥過程中噴流流場的數(shù)值模擬

主噴是噴織機的重要部件。內部結構復雜，體積小。內氣流屬于三維水流，涉及氣、固兩相相互作用和氣-氣界面運動，使主噴流場的理論研究和實驗變得復雜。FLUENT軟件是目前處于世界領先地位的計算流體動力學(ComputationalFluidDynamics,CFD)軟件,是研究流體流動的理想工具.運用FLUENT軟件可以實現(xiàn)通過對噴嘴流場的數(shù)值模擬,形象而直觀地獲得各項流動參數(shù).1高壓氣流進入第一氣室的過程模擬求解圖1為噴氣織機主噴嘴的結構圖.噴氣織機主噴嘴由噴嘴芯、噴嘴體和導紗管3部分構成.由主氣包噴入的高壓氣體經(jīng)入口進入第一氣室,產(chǎn)生高速渦流,經(jīng)整流槽進行整流,使湍流“層流化”,整流后的氣流經(jīng)過亞音速加速區(qū)和喉部后到達跨音速區(qū).本文的模型對高壓氣流從進入第一氣室運動至緯紗引射區(qū)這段過程進行模擬求解.2幾何模型的建立主噴嘴內的氣流是一種高速渦流,經(jīng)整流后產(chǎn)生復雜流動.為了能夠清晰而快速地描述管內的氣體流動狀況,本文對主噴嘴內流道模型簡化后再進行模擬求解.利用三維繪圖軟件Solidworks建立幾何模型,導入到FLUENT前處理軟件Gambit中劃分網(wǎng)格,再讀入FLUENT中對內流道模型的相關參數(shù)進行設置并完成求解.(1)幾何模型的建立由于主噴嘴內流道三維模型比較復雜,FLUENT前處理軟件Gambit無法精確有效地建立其幾何模型,因此,本文借助Solidworks建立圖2(a)所示的主噴嘴內流道的幾何模型,并保存為stp格式的文件.(2)主噴嘴內流道網(wǎng)格特征將上述stp文件導入到Gambit中,根據(jù)主噴嘴內流道模型的特點,采用非結構的四面體網(wǎng)格來劃分網(wǎng)格,如圖2(b)所示,網(wǎng)格數(shù)為166677個.(3)力的大小計算噴嘴入口為第一壓力入口,數(shù)值為供氣壓力的大小,本文計算取0.4MPa;模型右端面為出口,同時將出口類型設為壓力出口,并假設其壓力為1個標準大氣壓.(4)維湍流模型本文研究的是三維模型,且對象為高速流動的氣體,采用耦合求解器能更準確有效地求解,湍流模型則采用標準κ-ε二方程湍流模式.根據(jù)κ-ε湍流模型,可以建立三維坐標系中流場的控制方程.在標準κ-ε模型中,κ和ε是兩個基本未知量,本文涉及的主噴嘴內流道為三維問題,與之對應的輸運方程為:?ρu′iu′j———=μt(?ui?xj+?uj?xi)?23ρkδij(1)-ρu′iu′j———=μt(?ui?xj+?uj?xi)-23ρkδij(1)式中:ρ為密度;u為速度;μt為湍流黏性系數(shù);x為位移;k為體積壓縮率;δ為邊界層厚度.(5)壁處理采用默認固壁處理.(6)空氣動力學模型假設主噴嘴內氣流為理想氣體.物理參數(shù)為等效溫度下的常量,則流道內流體的流動滿足連續(xù)性方程以及動量方程.空氣的物理參數(shù):密度ρ=1.125kg/m3,動力黏度η=1.7894×10-5Pa·s.3fluen殘差迭代模型觀察殘差曲線是判斷計算是否收斂的最簡便的方式.圖3為FLUENT對網(wǎng)格模型進行迭代計算的殘差曲線,橫坐標為迭代次數(shù),縱坐標為迭代殘差值.從圖3可以看出,各曲線相互之間殘差值差別不大.FLUENT一般默認迭代殘差值10-3為收斂判據(jù).圖3顯示,模型開始求解計算后,各曲線殘差值均越來越小,迭代153次后,各曲線殘差值均在10-3附近,由此判斷,計算收斂.3.1氣流進入推動內流道速度分布在湍流狀態(tài)下對導入的內流道網(wǎng)格模型進行模擬求解,得到如圖4所示的主噴嘴內流道縱剖面內整體速度分布和圖5所示的內導紗管口局部速度分布.從圖4可以看到,進入第一氣室的氣流較紊亂,經(jīng)過整流區(qū)后趨于平穩(wěn),尾流區(qū)中氣流速度有所下降,進入錐形區(qū)后,氣流才進入穩(wěn)定加速軌道,當氣流進入喉部時,流體速度變化表現(xiàn)出一定的規(guī)律性,矢量箭頭主要沿著x軸正方向,在引射區(qū)湍流核心處,速度分布相差不大,氣流比較穩(wěn)定.通過圖5的導紗管口局部速度矢量圖可以看到,氣流在導紗管口出現(xiàn)回流,模擬結果與文獻分析一致,同時可以看到進入緯紗引射區(qū)后氣流速度趨于平穩(wěn).圖6為內流道內跡線分布云圖,可以看到,主噴嘴內流道中的流體發(fā)生了旋轉,沿y軸自正向負(由上到下)旋轉速度越來越大.由于內流道壁面和流通面積的不斷變化,流體流動狀態(tài)也隨之改變,經(jīng)整流槽后速度變化趨穩(wěn).進入喉部,流體速度被導向為x軸正方向,而且速度較高并趨于穩(wěn)定.圖7為內流道縱剖面內的速度分布,該圖由縱剖面y軸正向(上)和y軸負向(下)疊加形成.可以看出流體湍流流動速度基本呈現(xiàn)V形,說明高速氣流(位移=2～5cm)進入氣室速度開始下降,進入錐形區(qū)開始加速,并且上半部分氣流與下半部分氣流同時在喉部(位移=25cm)達到最大.3.2內流場的壓力分布圖8為縱剖面內壓力等高線圖,可以看出,高壓氣體進入氣室后壓強產(chǎn)生劇烈變化,進入錐形區(qū)后逐漸穩(wěn)定,且越來越小,并在喉部達到最小,之后略有上升.圖9為內流場縱剖面內的壓力分布.從圖9中可以看出,氣流從進氣孔噴進,壓強下降,在整流區(qū)與尾流區(qū)基本穩(wěn)定,隨后在錐形區(qū)迅速下降,并同時在喉部(位移=25cm)達到最小(同時速度最大),隨即進入引射區(qū)略升趨穩(wěn).4局部回流和內壓保持運動學(1)FLUENT軟件能夠很好地模擬主噴嘴內流道三維模型的流動狀況.當氣流在內流道中充分運動以后,雖然進入導紗管時出現(xiàn)局部回流,