基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究【含有限元】【說明書+CAD+PROE】,含有限元,說明書+CAD+PROE,基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究【含有限元】【說明書+CAD+PROE】,基于,ansys,噴霧器,噴嘴,仿真,研究,鉆研,有限元,說明書,仿單,cad,proe 研究設計 l :2007-11-21 :浙江省教育廳資助規(guī)劃科研項目(20060348) T e :劉耀林(1976- ),男,湖北荊州人,寧波大紅鷹職業(yè)技術學院軟件學院講師,研究方向為智能機器、有限元分析、數控 機床仿真與故障診斷。 I _ 2 , f , (寧波大紅鷹職業(yè)技術學院軟件學院, 浙江寧波315175) K 1 :Y V y I = 8 9 ,s 9 8 Z E (CFD) E I Z b1 I T / 8 + , I l a g # 5 = I Y b結果 表明這些參數相互配合,存在最優(yōu)值,為噴嘴結構優(yōu)化設計提供信息及依據,對實際生產也具有指導意義。 1 o M :計算流體力學;噴嘴;流場;霧化質量 m s | :TB126 D S :A cI | :1005-2895(2008)01-0020-05 1 5 4 噴霧器是近幾十年來噴射流體力學原理應用研究 最活躍的領域之一,其技術產品的應用,覆蓋著工、農 業(yè)生產的各個方面。由于其應用的目的不同,操作過程 的差異,使其結構存在著較大的差別,但均基于流體噴 射原理和過程開發(fā)設計的高技術產品。家用噴霧器可 噴灑各種殺蟲劑、香水、除臭劑等水劑,油劑液體,供家 庭、賓館及小型公共場所消滅蚊蠅、環(huán)境消毒、調節(jié)濕 度、花卉噴淋滅蟲、食用菌噴濕、熨燙衣服噴水時使用。 其結構形式有很多,如手扣式噴霧器、手撳式噴霧器、 電動噴霧器等1。 家用噴霧器一般由圓弧鴨嘴、閥桿、閥針、泵體、活 塞、彈簧以及吸管組成,其工作原理如圖1所示。當操 作者上下撳動噴嘴時,使閥桿在泵體內往上下往復運 動。當閥桿上行時,活塞向上運動,噴嘴下方由閥針和 泵體所組成的空腔容積不斷增大,形成局部真空。這時 塑料瓶內的液體在液面和泵體內的壓力差作用下沖開 進水閥(彈珠),沿著進口吸管路進入泵體,完成吸水過 程。當閥桿下行時,閥針向下運動,泵體內的流體被擠 壓,使流體壓力驟然增高。在這個壓力的作用下,進水 閥被關閉,出水閥(玻璃球)被壓開,液體通過閥桿進入 噴頭被霧化噴出。 噴嘴是影響噴霧器噴霧性能的關鍵部件之一。噴 嘴設計和制造的好壞將直接決定是否能獲得理想的霧 化質量。國內外學者已經對氣泡霧化的機理,氣泡霧化 噴嘴的流量特性,流型及流場特性,霧化特性等進行了 圖1噴嘴結構原理圖 廣泛的研究工作,并得到以下的結論:噴射器結構與工 作性能之間存在著密切關系,在噴射器的結構設計中, 噴嘴突出長度、輸出管內徑和吸管內徑,霧化壓力以及 流體入口速度是影響噴嘴霧化質量的重要參數2。試 驗研究結果表明其存在著最優(yōu)值,但是通過試驗來進 行研究耗費比較大,并且不能直接地觀察到影響因素 的作用過程3。 噴嘴內液體的流動過程比較復雜,其流動狀態(tài)決 定了噴嘴的噴霧性能。目前,有關噴嘴內流體噴霧過程 的許多理論與技術問題尚未得到很好的解決。CFD技 術的進步使得人們可以微觀地研究噴霧內部的流體流 動、混合的基本過程,各種CFD軟件如FLUENT, CFX,ANSYS和ABAQUS等也逐漸成熟并得到廣泛 應用,其精度足以滿足工程研究的需要4。因此,為了 進一步了解噴霧器的霧化機理和特性,本文利用噴霧 第26卷第1期2008年2月 Light Industry Machinery Vol.26 No.1Feb.2007 模型與計算流體力學分析方法對噴霧器噴嘴流場進行 模擬研究,研究噴霧器噴嘴內部流體速度分布隨時間 的變化,找出影響噴霧特性的結構參數,為噴嘴結構優(yōu) 化設計提供信息及依據,以便指導生產實踐。 2 I 9 手撳式噴霧器通過把水壓入細管造成高速水流, 高速水流碰到障礙物后裂成小水滴,經噴嘴噴出,把液 體撕成極細徽的霧化液滴,達到霧化的最終目的。其主 要物理參數為:吸管內徑8.40mm,泵體直徑33mm, 排出量3.003.50ml/t,入口處噴嘴內徑3.53mm, 出口處噴嘴直徑3.43mm。入口處流體流速2.0m/s。 其結構如圖2所示。 圖2噴霧器噴嘴結構示意圖 2.1基本方程 噴嘴內流體流動是一個比較復雜的湍流流動過 程,本文研究的流體流動過程可以由下列方程加以描 述。 連續(xù)方程 5(Qui)5x i = 0 (1) 式中,ui為i方向的速度/(ms- 1);xi為點坐標。 動量Navier-Stokes(N-S) 方程 5(Quiuj) 5xj = - 5P 5xj + 5 5xjLeff( 5ui 5uj + 5uj 5ui) (2) 式中,P 為壓力/Pa,Q為流體密度/(kgm- 3); Leff 為有效粘度系數/(Pas),可由湍流模型來確定。 本文采用由LAUNDER和SPALDING提出的k- E 雙方程模型來確定。 k方程(湍流動能方程) 5 5xi Quik- LeffR k 5k 5xi = Gk - QE (3) E方程(湍流動能耗散率方程) 5 5xi (QuiE- LeffR E 5E 5xi ) = (C1EGk - C2QE2)/k (4) 式中,Gk = Lt 5uj 5xi (5ui5u j + 5uj5x i ),為湍流動能產生項; Leff = Ll+ Lt;Lt= QCLk 2 E,Lt為湍流黏度系數;Ll為層 流粘度系數;C1,C2,CL,Rk,RE 采用 LAUNDER 和 SPALDING的推薦值:C1 = 1.43,C2 = 1.93,CL = 0.09,Rk = 1.0,RE= 1.35。 2.2計算網格 通過對噴嘴結構進行分析,確定研究對象為噴嘴、 閥桿與閥針組成的流體有效通徑。利用流體分析軟件 ANSYS提供的計算分析與網格劃分功能,對噴霧器 噴嘴噴霧過程進行分析,圖3為計算模型網格,單元數 為1244,節(jié)點數為1357。 圖3噴霧器噴嘴計算網格圖 2.3邊界條件設定 噴霧器噴嘴入口的速度根據入口出流量大小確 定。出口速度根據進出噴嘴的液體質量流量守恒的原 則確定。入口處湍動能kin 和耗散率Ein 由下式確定: kin = 0.03L2in,Ein = k 1.5in Cin 。其中uin為入口處的速度, Cin 為入口截面的半徑。因此邊界條件可確定為: 1) 在自由表面上,平行于自由表面的速度分量和 其他標量的梯度均為零; 2) 在固體壁面上,速度、壓力、湍流動能及湍流動 能耗散率均為零; 3) 在對稱面上,各變量的梯度為零,垂直于對稱 面的速度分量為零; 4) 在出口處,垂直于對稱面的壓力分量為零。 2.4數值求解 采用控制容積法將噴霧器噴嘴內流體流動的控制 偏微分方程進行離散化,應用有限單元法計算得到的 差分方程,應用TDMA算法求解代數方程組。三維計 算程序用APDL語言編制, 計算采用美國ANSYS公 司開發(fā)的大型有限元通用軟件ANYSY8.0。 39 T # ) 3.1噴嘴輸出管拐角對流體流速分布的影響 圖4為噴嘴輸出管拐角為直角和圓弧過渡時流體 21研究設計 劉耀林,等噴霧器噴嘴流場仿真研究 流場速度分布情況。通過比較發(fā)現,在相同工況下,輸 出管拐角處直角過渡比圓弧過渡產生的速度沖擊更大 (深色箭頭),速度大約增加 1. 3%,壓力約增加 11.27%,當流體粘性較大時,更容易發(fā)生堵塞,因此在 輸出管拐角處最好選用圓弧過渡。 圖4噴嘴不同拐角對流場分布的影響 3.2噴嘴突出長度對流體流速分布的影響 圖5為噴嘴突出長度變化時噴霧器噴嘴流場的軸 向速度分布情況。對比圖5(a),(b)和(c)的流場模擬結 果,可以發(fā)現:在相同工況下,L= 50mm時,噴嘴出口 速度最小,射流比較分散,這樣就可能造成噴嘴噴射不 夠集中;L= 15mm時,噴嘴出口速度最大,射流比較 集中,但噴霧角度不大,造成霧化角度減小。而L= 39.13mm時,將噴口傾斜后,不僅噴嘴出口速度適 中,而且有一定的霧化角度,能集中高效地進行噴霧。 這是因為,在相同工況下,噴嘴突出長度L增加使噴嘴 流量增大,由于流體粘性的作用、流體本身的脈動特性 等因素的影響,噴嘴流量出現波動,噴口張角有減小的 趨勢,流場軸向速度總體呈下降趨勢。通過物理測試還 可以發(fā)現霧化粒度隨著噴嘴突出長度的增大而越來越 粗。因此,噴嘴突出長度應選取值為39.13mm。 3.3輸入管入口速度對流體流速分布的影響 圖6為輸入管入口速度變化時噴霧器噴嘴流場的 軸向速度分布情況。對比圖示噴嘴內流場的模擬結果, 可以發(fā)現:在相同工況下,入口速度V越小,噴嘴出口 速度也相應減小,噴射能量也會減小;而增大入口速 圖5不同噴嘴突出長度下噴嘴流場的模擬結果 圖6不同噴嘴入口速度下噴嘴流場的模擬結果 度,雖然會使噴嘴出口速度增加,造成比較集中密實的 射流,但霧化角度減小,而且在噴嘴內部會產生強烈的 沖擊速度,造成噴嘴拐角處沖蝕破壞,嚴重情況下還會 造成噴嘴堵塞,因此,噴嘴入口速度應該適中,不可過 22 Light IndustryMachinery 2008年第1期 大也不能太小。 3.4噴嘴輸入管內徑對流體流速分布的影響 圖7為不同噴嘴輸入管內徑下噴嘴流場的模擬結 果。對比圖7(a),(b)和(c)的流場模擬結果,可以發(fā)現: 在相同工況下,噴嘴輸入管內徑R越小,噴嘴出口速度 也相應減小,噴射能力減弱;而增大輸入管內徑,雖然 會使噴嘴出口速度增加,但霧化角度減小,而且在噴嘴 內部會產生強烈的沖擊速度,造成噴嘴拐角處沖蝕嚴 重,因此,噴嘴輸入管內徑大小應該適中。選取R= 1.765即可。 圖7不同噴嘴輸入管內徑下噴嘴流場的模擬結果 4 CFD方法是一種有效的數值模擬方法,能夠比較 準確地模擬噴嘴包內流體的流動狀況。本文成功建立 了描述噴霧器噴嘴內流體流動過程的數學計算模型, 并實現其流動過程的數值模擬。通過分析與計算,可以 得到以下結論: 1) 采用二維可壓縮流動模型對噴霧器性能與結 構的關系進行研究,計算結果與試驗結果對比表明,二 維流動模型能夠獲得足夠的計算精度,可以用來進行 噴霧器結構與工作特性、性能之間關系的計算研究。 2) 在相同工況下,噴嘴突出長度、輸入管入口速 度以及輸入管內徑等結構參數變化對噴霧器噴霧性能 有較大的影響。噴嘴突出長度越長,噴嘴出口速度越 小,射流比較分散;噴嘴輸入管內徑R越小,噴嘴出口 速度也相應減小;入口速度與出口速度成正比,影響噴 射能量。這些結構參數相互配合,存在最優(yōu)值。 3) 排出量為3.003.50ml/t,當噴嘴突出長度 L= 39.13mm,輸入管入口速度V適中,輸入管內徑 R= 1.765時,可以得到非常密實、集中的噴射射流,霧 化角度較大,對噴射內部的射流沖擊力較小,霧化質量 明顯提高。而且,為了防止在噴嘴出口拐角處發(fā)生強烈 的沖擊和堵塞,應采用圓弧過渡。 4) 計算出的壁面壓力分布、噴嘴出口處的軸向速 度分布以及霧角與實驗吻合的很好。對噴霧器液流通 路進行了優(yōu)化后,產生的射流非常密實。本研究結果與 實際比較符合,對生產實際有很好的指導作用。 I D : 1現代工程分析技術.第3屆中國CAE工程分析技術年會C.大 連:中國機械工程學會,2007. 2張博,沈勝強,李海軍.二維流動模型用于噴射器關鍵結構設計分 析J.大連理工大學學報,2004,44(3):2-3. 3楊立軍,葛明和,張向陽,等.噴口長度對離心噴嘴霧化特性的影 響J.推進技術,2005,26(3):5-6. 4王國強.實用工程數值模擬技術及其在ANSYS上的實踐M.西 安:西北工業(yè)大學出版社,2001. 5LAUNDER B E, SPALDINGDB. ComputerMethodin Applied Mechanics andEngineering M. TheScientificPublishingCO., New York:1994. SimulationResearch on FlowField of NozzleinSprayer LIU Yao-lin,ZHANGShun-de,LIHua (SoftwareInstitute,Ningbo Dahongying Vocational Technical College,Ningbo315175,China) Abstract:The calculating model is created tosimulatetheflowing of fluid in nozzle and theComputer fluid dynamics (CFD for acronym) is applied toanalyzetheflow field of nozzleinsprayer. Whenthestructureof 23研究設計 劉耀林,等噴霧器噴嘴流場仿真研究 nozzle is changed, different flow field will beobtained. By comparing with different flow characteristics of fluid innozzle, someparameterssuchasextendedlengthof nozzle, entrancevelocityof fluidand theinletpipe radius arestudied toanalyzethe influencetothe atomization quality. The simulation results show that these parameters match with each other and there are optimal values. The simulation results will be helpful to optimal structural design ofnozzle andtheyprovide reliableinstructionforthepractical productionofnozzle. Keywords:computer fluiddynamics; nozzle; flowfield; atomizationquality 信息簡訊 c e c 全方位透視工業(yè)技術前沿趨勢, 關注中國熱門產業(yè) 2008漢諾威工業(yè)博覽會(2008年4月21- 25日) 漢諾威工業(yè)博覽會(HANNOVER MESSE)始創(chuàng)于1947年8月,歷經60載的不斷發(fā)展與完善,由最初的德國出口貿易展覽會成 長為當今世界規(guī)模最大的國際工業(yè)盛會之一,并被認為是聯系全世界技術領域和商業(yè)領域的重要國際活動,引領著世界工業(yè)的創(chuàng) 新與發(fā)展。2008年4月,漢諾威工業(yè)博覽會將再次向所有工業(yè)領域技術應用者、設計者、開發(fā)者和決策者敞開大門,向世人演繹其作 為“世界工業(yè)發(fā)展晴雨表”的領導地位。 2008 漢諾威工業(yè)博覽會將于4月21- 25日在德國漢諾威博覽中心隆重舉行,10個工業(yè)技術領域的國際旗艦展將同時同地舉 辦,全面展示跨領域行業(yè)的創(chuàng)新成果、最新趨勢和前沿技術。主題分展包括:過程控制與生產自動化展、工廠自動化展、工業(yè)建筑自 動化展、數字化工業(yè)展、工業(yè)零部件與分承包技術展、能源展、電廠技術展、管道技術展、微系統技術展和研究與技術展。本屆漢諾威 工業(yè)博覽會預計將吸引來自62個國家和地區(qū)的5000家參展商前來參展,展出總面積達166500 m2。 全方位透視工業(yè)技術前沿趨勢漢諾威工業(yè)博覽會是反映技術創(chuàng)新的一面鏡子,推動著當今工業(yè)的發(fā)展與進步。展會匯聚尖端 的工業(yè)產品,突出產品之間的關聯性和整體性,聚焦跨領域的解決方案。展品范圍廣泛、展示類別豐富,為觀眾提供各個領域的完整解 決方案。2008漢諾威工業(yè)博覽會將重點關注工業(yè)自動化、能源技術、氣候保護,分承包技術與服務,以及未來科技等當今市場需求旺盛 的熱門工業(yè)行業(yè)。正如德國漢諾威展覽公司董事會主席 Sepp D. Heckmann博士說:“能源與生產力是決定工業(yè)國 家未來生存的主要競爭力。”作為漢諾威工業(yè)博覽會重要旗 艦展之一,能源展特別針對“可再生能源和常規(guī)能源”領域, 全方位展示能源從開發(fā)、供應、傳輸到分配等整個工業(yè)流程 最先進的設備與技術。該展覆蓋面之廣,是全球同類展會中 少見的,這將再次堅定其在全球綜合性展會中不可撼動的地 位。特別值得一提的是,今年漢諾威工業(yè)博覽會全新推出的 “電廠技術展”,有效地結合了“能源”與“管道技術”2大主 題,涵蓋全球大型發(fā)電站建設和小型發(fā)電設備技術系統、設 計、研發(fā)及維護等,進一步擴大能源技術的覆蓋范圍。 由于世界范圍內對自動化產品需求的日益增加,越來越 多的企業(yè)開始尋求終端對終端的自動化解決方案,以更好地整合生產。秉承“發(fā)揮自動化最大效用,引領自動化最新潮流”;宗旨的工 業(yè)自動化展將結合三大國際領先行業(yè)展覽會過程控制與生產自動化展、工廠自動化展以及工業(yè)建筑自動化展,推出一系列形式 多樣的有關“清潔設計”、“過程自動化秀”、“應用園區(qū)”以及“機器人科學”等現場演示,為自動化領域帶來全面綜合的新視角。 借中國經濟騰飛之勢,漢諾威工博會掀動“中國風”近年來,中國經濟發(fā)展速度之快,世界上鮮有國家可與之抗衡。從貿易出 口額上看,自去年第二季度趕超美國之后,中國已成為繼德國之后的全球第二大出口國。據德國聯邦政府部門統計數據顯示,中國 機械類產品出口已增長37%,出口量第二大增長的化工類產品,上升了36%。歐盟國家是中國最重要的貿易出口國。每年,中國對歐 盟國家的貿易出口額平均增長30%,去年已高達1080億美元。穩(wěn)步走高的利潤率、持續(xù)增長的海內外需求促使中國工業(yè)蓬勃發(fā)展。 中國在2007年GDP預計增長11%左右,增長后的數字將直逼德國,并很有可能趕超德國成為世界第三大經濟體。 中國穩(wěn)步而高速的經濟增長讓其一次次走入世界經濟舞臺的聚光燈下,成為越來越多全球投資商的首選目標。“中國風”也將 登陸本屆漢諾威工業(yè)博覽會。目前中國快速發(fā)展的幾大工業(yè)產業(yè)都紛紛成為今年博覽會的核心主題,如中國政府大力支持的能源 與環(huán)境產業(yè)。據了解,中國已是全球第二大能源生產國和消費國,其能源消耗量約占世界的15%。2007年中國企業(yè)參展極為踴躍, 共有461家中國企業(yè)參展,在德國以外參展國際展團中位居第二,展出面積達5713m2。近年來,前來漢諾威參觀的中國觀眾人數也 始終保持在2 000人次左右。 合作伙伴國日本日本是2008漢諾威工業(yè)博覽會的合作伙伴國。作為世界上最發(fā)達的工業(yè)國家之一,日本擁有眾多最先 進的技術和全球最大的研發(fā)市場。主要集中在機器人技術、微系統與納米技術、環(huán)境與能源技術和生命科學等。本屆展會將吸引150 家日本企業(yè),集中于2號展館的研究與技術展內,展出面積將達1600m2。 ( ) 24 Light IndustryMachinery 2008年第1期