基于Fluent的超音速喷嘴的数值模拟及结构优化高全杰，汤红军，汪朝晖，贺勇GAOQuan-jie,TANGHong-jun,WANGZhao-hui,HEYong（武汉科技大学机械自动化学院，武汉430080）摘要：对超音速laval喷嘴进行了热力学计算及几何参数计算，确定了喷嘴的几何尺寸。利用Fluent软件对喷嘴内流场进行数值模拟，得到了喷嘴内流场的分布规律。改变喷嘴的结构，分析了收缩段和扩张段的不同结构对喷嘴出口速度的影响。结果表明，喷嘴内气流的温度和压力逐渐减小，速度逐渐增大，说明了气流经历的是减压增速降温的膨胀过程，并验证了喷嘴设计的合理性。收缩段的结构对喷嘴出口速度基本没有影响，而出口直径对出口速度有较大影响，并以此为依据得出了结构优化后的喷嘴尺寸，对于今后超音速喷嘴的理论研究及优化设计具有一定的参考作用。关键词：laval喷嘴；数值模拟；流场；结构优化中图分类号：TH16;TK263.4文献标识码：a文章编号：1009-0134(2015)02(下)-0088-04Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2015.02(下).270引言超音速Laval喷嘴是超音速设备中的核心部件，在天然气脱水和重烃分离[1]、转炉炼钢[2]、冷喷涂[3]、激光切割[4]等工业生产领域具有广泛应用。因此，确定合理的喷嘴尺寸结构，优化喷嘴的性能，是提高超音速设备工作效率的重要途径。目前对于超音速喷嘴的设计还主要依赖于经验和实验，缺乏一套完整的理论计算方法。本文根据气体动力学的方法设计出了满足条件的超音速喷嘴[5,6]，并通过对喷嘴的优化，为喷嘴的设计、制造及优化提供了参考和指导。同时，对喷嘴内部流场进行数值模拟，找出了喷嘴流场的各状态参数的变化规律，为超音速喷嘴的理论研究奠定了基础[7,8]。1喷嘴的结构设计及尺寸的确定1.1喷嘴结构的设计在超音速喷嘴中，气体的流动是非等嫡的且可压缩的。但可压缩流动是非常复杂的现象，为了简化问题，有针对性的研究相关参数对喷嘴的影响，通常将喷嘴内的流动视为一维定常等嫡流。喷嘴内截面积、压强、密度、温度的变化情况如下：dρ−Ma2dV(3)ρVdT−(γ−1)Ma2dV(4)TV其中，Ma为马赫数；A为喷嘴的截面积(mm2)，P为喷嘴内压强(Pa)，ρ为气体密度(kg/m3)，T为喷嘴内温度(K)，V为气体流速(m/s)。在喷嘴中,由于dV/V>0，所以dP/P<0，dρ/ρ<0,dT/T<0，即气流经历的是减压增速降温的膨胀过程。由式(1)可以看出，当Ma<1时dA/A<0；当Ma>1时，dA/A>0；当Ma=1时dA/A=0。即喷嘴亚音速段的截面应当逐渐缩小,气体流速逐渐增大；当喷嘴沿截面收缩到最小处喉部时，喉部处的截面保持恒定，流速达到临界速度即音速，此时压力近似为喷嘴进口压力的一半；超音速段的截面应当逐渐扩大,这样就可以在喷嘴出口处获得超音速并建立低压区。所以，气流通过喷嘴过程中，喷嘴起到一个“流速增大器”的作用[9]。因此,喷嘴应当由渐缩段、喉部和渐扩段三部分组成。1.2喷嘴的几何尺寸的确定在定常等嫡流动中，气流的滞止参数保持不变，因dA(Ma2−1)dV(1)AV∗T=1+γ-1Ma2(5)dP−γMa2dVT2(2)PV收稿日期：2014-10-07基金项目：国家自然科学基金：环形自激振荡射流涡激空化效应及对卷吸性能的影响机理（51376204）；国家自然科学基金：利用自激振荡脉冲特性实现双腔室射流喷嘴的超微雾化机理（51405352）；武汉市青年科技晨光计划：降低板带表面静电喷涂消耗的关键技术及其设备研究（2013070104010022）作者简介：高全杰（1963-），男，湖北枣阳人，教授，硕士，研究方向为静电喷雾理论及应用。【88】第37卷第2期2015-02(下)γ2喷嘴内流场的数值模拟Fluent软件是一种大型的商用CFD模拟软件，可以模拟和分析从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。本文计算中求解器采用耦合显示格式，湍流模型采用标准K-ε模型，算法采用Smiple求解，流体设为理想气体，边界条件采用压力边界条件，内壁采用无滑移，无渗流，绝热边界，给定入口压力、入口温度，出口压力等条件。P=1+γ-1Ma∗−γ1(6)P2γ(7)∗=1+γ-1Ma2ρ−γ1ρ2其中：T*为滞止温度(K)；P*为滞止压强(Pa)；ρ*为滞止密度(Pa)；γ为绝热指数，对于空气，取1.4。1）收缩段收缩段是将气流由亚音速加速到音速的部分，...