缩放型喷嘴产生的空化射流流场数值分析卢义玉，王晓川，李晓红，康勇，陈宇龙(重庆大学资源及环境科学学院,重庆400030)摘要：针对流体湍流运动本身机理和规律的复杂性，以及喷嘴内部射流压力分布状态难以通过实验直接有效的测试的现状，本文应用不同的湍流模型对缩放型喷嘴内部湍流流场进行了数值模拟，结合理论及质量流量测试实验来进行对比验证，结果证明RNG湍流模型最适合用以数值模拟缩放型喷嘴内部的湍流流场。RNG湍流模型数值模拟结果表明缩放型喷嘴收缩角使喷嘴喉管部产生了低压场，压差的产生使水射流的空化效果得到提高该分析结果也为缩放型喷嘴空泡形成的机理研究以及喷嘴结构对射流流场参数的影响提供了重要依据。关键词：空化水射流；缩放型喷嘴；流场；数值模拟；流动特性：TH137NumericalSimulationforCavitationWaterJetFlowthroughaConvergent-divergentNozzleLUYi-yu,WANGXiao-chuan,LIXiao-hong,KANGYong,CHENYU-long(CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China)Abstract：Tostudyhowtheconvergent-divergentreductionangleinfluencesthedynamiccharacteristicparametersinhighpressureflowfield,meanwhile,accordingtocomplicationofturbulence’smechanismandlawaswellasthejetpressureinnozzleisdiffculttotestbyexperiment,applyingdifferentturbulentmodelstonumericallysimulatetheturbulentfieldinnozzle.Combiningthetheoryanalysisandcomparaitonwiththeexperimentsofmassflowrates,itcanbeconcludedthattheRNGisthemostsuitablemodel.ApplyingRNGtonumericallysimulateandtheresultshowsthattheconvergent-divergentreductionanglehassignificantlyinfluenceontheparametersofjetflowfield.Itcanformlowpressurefieldinnozzlethroat;thepressuredifferencecanimprovethecavatitioneffectofhighpressurewaterjet.Alsotheresultprovidesimprotantbasisofmechanismsdutyontheformationofcavatitionbubbleinconvergent-divergentnozzle.Keywords：cavitationwaterjet;Convergent-divergentnozzle;Flowfield;Numericalsimulation;Flowproperty1引言在相同水力参数条件下，水射流的空化效果取决于喷嘴结构。大量的试验研究已经证实缩放型喷嘴产生的空化射流的冲蚀效果明显比收缩型喷嘴强。但对喷嘴的几何形状与水射流的空化效果之间的关系还缺乏认识，需要对喷嘴内部流场进行全面和准确的实验研究而直接通过实验测试喷嘴内射流的压力分布状态非常困难，传统的分析方法也不能计算内部截面积有变化的喷嘴中的射流压力分布。因此,探索合适的数值模拟方法进行喷嘴内部射流流场的数值模拟,对弄清喷嘴结构与空化效果间的关系具有重大现实意义[1~5]。本文拟选用适应性强的Standard模型、RNG模型和Standard模型，对缩放型喷嘴内部湍流流场进行数值模拟，结合质量流量测试实验，选出最适合数值分析缩放型喷嘴内部湍流流场的模型，通过数值模拟研究喷嘴结构与空化效果之间的关系。基金项目:国家创新研究群体基金（50621403）；重庆市杰出青年基金（CSTC2009BA6047）；新世纪优秀人才支持计划(NCET-06-0767)。2控制方程FLUENT软件采用SIMPLE算法（求解压力耦合方程的半隐方法）对控制方程进行数值求解，通过“预测—校正”程序来计算交错网格上的压力。非定常的连续方程和Navier-Stokes方程如下[6~8]：(1)(2)(3)(4)式中：是水的密度，；是时间，s；u是速度矢量，m/s;分别是速度矢量u在x,y,z方向上的分量，m/s;p是流体微元体上的压力，Pa;是水的动力粘度，.但由于湍流运动是不规则、随机的，不可能计算出所有质点运动情况。可将非定常的控制方程作雷诺分解时均处理，即：(1-5)(1-6)(1-7)(1-8)3选择合适的FLUNENT湍流模型3.1物理模型和网格划分模拟实验研究流域包括了空化器、喷嘴及进口端连接喷嘴的管道(如图1)。为缩短计算时间缩小了模拟空化器的体积，其尺寸为60×60mm，设有环形出口。水射流通过喷嘴注入空化器内部所产生的压力（围压）可调节，缩放型喷嘴的喉部直径d为1.27mm。图1物理模型和缩放型喷嘴示意图Figure1...