基于A(yíng)NSYS的噴霧器噴嘴流場(chǎng)仿真研究【含有限元】【說(shuō)明書(shū)+CAD+PROE】,含有限元,說(shuō)明書(shū)+CAD+PROE,基于A(yíng)NSYS的噴霧器噴嘴流場(chǎng)仿真研究【含有限元】【說(shuō)明書(shū)+CAD+PROE】,基于,ansys,噴霧器,噴嘴,仿真,研究,鉆研,有限元,說(shuō)明書(shū),仿單,cad,proe 第28卷第5期 2010年lO月 輕工祝撼 L蛐f血dmtry Machnery V0128 No5 0ct2010 研究設(shè)計(jì) DOI：103969jissn1005-2895201005005 基于G|一-蚴I辱訓(xùn)aj勘IR的霧化噴嘴上游 流場(chǎng)數(shù)值模擬研究 董星濤，林垂真，柳維均 (浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310014) 摘要：在低壓家用噴霧器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)過(guò)程中，為了進(jìn)一步研究低壓霧化噴嘴的噴霧特性，得到更好的霧化效果，文章 以一種手扣式噴霧器為實(shí)例，運(yùn)用CFdesign流體仿真軟件，對(duì)霧化噴嘴上游流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析了流速場(chǎng)、壓力 場(chǎng)和流跡線(xiàn)的分布規(guī)律。并對(duì)影響噴嘴出口流速的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究與對(duì)比。研究結(jié)果表明，噴嘴入口的速度變化 率隨導(dǎo)管與噴嘴直徑比的增大而增大，噴嘴入口的形狀、導(dǎo)管長(zhǎng)度直徑組合參數(shù)共同影響噴嘴出口流速并存在最優(yōu)值。 圖8表l參10 關(guān)鍵詞：家用電器；霧化噴嘴；CFdesign軟件；流場(chǎng)；數(shù)值模擬 中圖分類(lèi)號(hào)：TBl26；TQ051 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-28952010)05-0015-04 Study on Numerical Simulation of Upstream Flow Field of Atomizing Nozzle Based On CFdesign DONG Xingtao，LIN Chuizhen，LIU Wei-Jun (The MOE Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Machining Technology， Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China) Abstract：Aiming at researching the spray characteristics of low-pressure nozzle and getting better atomization effect in the design and improvement process of lowpressure house appliance sprayer，the paper took a hand-button sprayer as an example，numerical simulated the upstreamflow血ld ofatomizing nozzle based on CFdesignflow simulated software4廳er analysis the distribution rule of velocity恥ldpressure弛Id and flowtrace line。the paper studied and compared the influence of the structural parameters of pipe on the velocity of nozzle exitThe results indicate that the rates of speed change of the nozzle entrance increases as the ratios of pipe and nozzle diameter increases，the shape of the nozzle enhance，length and diameter of pipe combined parameter jointly effect the nozzle exit velocity and existing optimal valuesch，8堍1 tab10 ref Key words：home applicanees；atomizing nozzle；CFdesign software；flow field；numerical simulation 0 引言 霧化技術(shù)及霧化噴嘴有著廣泛的用途，幾乎已經(jīng) 涵蓋所有的工業(yè)領(lǐng)域，如交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以及人 民的13常生活。近年來(lái)，霧化技術(shù)在家用領(lǐng)域的運(yùn) 用也越來(lái)越重要。由于高壓灌裝噴嘴存在易爆炸等安 全隱患，不便長(zhǎng)途運(yùn)輸與攜帶，使得人們?cè)絹?lái)越青睞低 壓噴嘴。低壓家用噴霧器由于其應(yīng)用目的的不同，操 作過(guò)程的差異，結(jié)構(gòu)存在著較大的差別，但均基于流體 噴射原理口】。在低壓家用噴霧器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)過(guò)程 中，為了進(jìn)一步研究低壓霧化噴嘴的噴霧特性，得到更 好的霧化效果，必須對(duì)霧化噴嘴上游流場(chǎng)進(jìn)行深入地 研究。本研究利用Blue Ridge Numerics公司開(kāi)發(fā)的流 體仿真軟件CFdesignbl對(duì)噴嘴上游流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬 與分析，并對(duì)影響噴嘴出口流速的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行 研究與對(duì)比，可以為噴霧器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能改進(jìn)提供 些理論依據(jù)。 1 結(jié)構(gòu)模型 本研究以市場(chǎng)上常見(jiàn)的一種手扣式噴霧器一-作 收稿日期：2010-04-19；修回日期：2010-04-30 作者簡(jiǎn)介：董星濤(1962)，男，浙江寧波人，副教授，主要從事CADCAM和快速成型技術(shù)方面的研究。E-mail：dxthzca 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 16 輕工機(jī)械Light Industry Machinery 2010年第5期 為初始結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。手扣式噴霧器的工作 原理是：扣動(dòng)扳手，液體通過(guò)吸管壓進(jìn)泵體；快速擠壓 活塞，流體產(chǎn)生一定速度流進(jìn)導(dǎo)管，形成高速射流。高 壓射流通過(guò)噴嘴形成液霧，達(dá)到霧化的效果。 噴 嘴 泵 體 圖1 某種手扣式噴霧器結(jié)構(gòu)圖 Figure l The structure diagram of a handbutton sprayer 2計(jì)算模型與參數(shù) 21計(jì)算模型簡(jiǎn)化 在數(shù)值模擬前，要對(duì)噴霧器結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。 根據(jù)液體在噴霧器中的流動(dòng)情況，簡(jiǎn)化模型只保留導(dǎo) 管和噴嘴的流體區(qū)域部分(噴嘴上游流場(chǎng)流體域)，如 圖2所示。 圖2噴嘴上游流場(chǎng)簡(jiǎn)化計(jì)算模型 Figure 2 The simplified calculation model of the upstream flow field of nozzle 22參數(shù)定義 假定作用于扳手的壓力一定，活塞系統(tǒng)看作勻速 直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，則從泵體流人導(dǎo)管的流體可以看成穩(wěn)流，即 初始流量為定值。計(jì)算參數(shù)：導(dǎo)管長(zhǎng)度和直徑D分 別為40 mm和35 mm；噴嘴長(zhǎng)度Z和直徑d分別為2 nlIn和05 mm；導(dǎo)管人口初始質(zhì)量流量g。為35 gs。 3控制方程 由于流速不高，流體可看成理想流體，不可壓流 體。為得到穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果，CFdesign在數(shù)值模擬過(guò) 程中使用標(biāo)準(zhǔn)k一占湍流模型【5 J。分析過(guò)程中使用到 的控制方程有2種剖。 31 連續(xù)方程 連續(xù)方程是從流動(dòng)液體的質(zhì)量守恒中演化出來(lái) 的。不可壓縮流體的連續(xù)方程可表示為 div(U)=Ou，+Ov+Ow=0 (1) OX oy az 式中，div為散度，u為速度矢量，u、tI、W表示算、y,z 方向上的速度分量。 32 動(dòng)量方程 動(dòng)量方程基于牛頓第二定律。不可壓縮流體的動(dòng) 量方程為fOu+熊+叢邊+必：一鯉+三v 2 l Ot Ox aY Oz Ox Re 象+警+苦+叢筍=一業(yè)Oy+志V 2移(2)l at a石 ay a彳 Re。 。l塑+必+必+絲：一鯉+曇v：彬 。a a石 ay az az “e 式中，P為壓力，尺。為雷諾數(shù)，V為拉普拉斯 (Laplace)算子 v z廠(chǎng)：粵+霉+霉 。 a石 a)， az 方程(1)一(2)合并稱(chēng)為不可壓-|s方程，或稱(chēng)為 原始變量不可壓-S方程。 4數(shù)值模擬過(guò)程 CFdesign是一款功能強(qiáng)大的計(jì)算流體力學(xué)軟件。 該軟件可以對(duì)SolidWorks、proE、UG和CATIA等各種 CAD軟件所建立的模型直接導(dǎo)入進(jìn)行數(shù)值模擬、流場(chǎng) 分析。為產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和改進(jìn)提供了重要的參考， 縮短了用于實(shí)體原型和實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。 該軟件模擬霧化噴嘴上游流場(chǎng)的過(guò)程： 1)啟動(dòng)CFdesign。本研究從SolidWorks中啟動(dòng) CFdesign插件，進(jìn)入CFdesign軟件界面。 2)設(shè)置邊界條件(Boundary Conditions)。入口 面(inlet) 類(lèi)型為質(zhì)量流量(mass flow rate)，數(shù)值為 175 gs；出口面(outlet) 類(lèi)型為壓力，數(shù)值為0 Pa；對(duì)稱(chēng)面類(lèi)型為對(duì)稱(chēng)(symmetry)。 3)設(shè)置網(wǎng)格(Mesh Definitions)。軟件的自動(dòng)劃 分網(wǎng)格功能強(qiáng)大。為了得到更精確的結(jié)果，手動(dòng)設(shè)置 網(wǎng)格大小為02。流體域劃分網(wǎng)格后的效果如圖3 所示。 4)設(shè)置材料(Materials)。流體域的類(lèi)型為fluid， 名稱(chēng)為H20constanto 5)選擇分析類(lèi)型選項(xiàng)(analysis type and options)。 默認(rèn)設(shè)置：不可壓流體，標(biāo)準(zhǔn)，cs湍流模型。 6)分析計(jì)算(Analyze)?；谇拔乃龅暮?jiǎn)化模 型，分析方式為穩(wěn)態(tài)分析。為了讓迭代充分進(jìn)行，利用 自動(dòng)收斂準(zhǔn)則(Automatic Convergence Assessment)來(lái) 決定迭代終止，求解步數(shù)設(shè)為300次(Iterations to run 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 研究設(shè)計(jì)】 董星濤，等 基于CFdesign的霧化噴嘴上游流場(chǎng)數(shù)值模擬研究 17 =300)。結(jié)果顯示在289步時(shí)收斂。 7)顯示結(jié)果(Results Visualization)。軟件提供了 多種多樣的后處理形式。針對(duì)本實(shí)例，選取對(duì)稱(chēng)切面 流速、壓力、流跡線(xiàn)的分布梯度作如下分析。 圖3 流體域劃分網(wǎng)格后的效果圖 Figure 3 The effect picture of fluid domain after mesh generation 5計(jì)算結(jié)果分析與討論 51 流速分布 數(shù)值模擬結(jié)果顯示，噴嘴上游流場(chǎng)主流方向的流 速(x方向的流速)總變化呈增大趨勢(shì)。但流速在導(dǎo) 管部分增大緩慢，流經(jīng)噴嘴人口則突然變大。噴嘴入 口處主流方向速度梯度如圖4所示。從圖中可以看 出，主流方向上的速度在噴嘴人口處顯突增趨勢(shì)，這是 因?yàn)閲娮烊丝谕蝗粶p小的緣故。 圖4噴嘴入口的速度梯度 Figure 4 Velocity gradient of nozzle entrance 進(jìn)一步分析流速的變化趨勢(shì)：流場(chǎng)前37 mm距 離，流場(chǎng)軸心流速變化范圍為367134547689 mm S，每mm速度增加4880 mms；流場(chǎng)后5 mm距離，流 場(chǎng)軸心流速變化范圍為54768924 104600 mms， 每mm速度增加4 711382 mms。2部分的流場(chǎng)軸心 的速度變化曲線(xiàn)分別如圖5、圖6所示。結(jié)合2張圖， 可以定量的分析出液體從大直徑流體域流向小直徑流 體域的流速變化情況。 ， 量 幽 蜒 0 舞 蠼 燼 圖5 流場(chǎng)前37 mm距離的速度曲線(xiàn) Figure 5 Velocity curve of front 37 mm distance on flow field 00 05 10 I5 ZU Z5 3U 35 40 45 50 長(zhǎng)度tm 圖6流場(chǎng)后5 mln距離的速度曲線(xiàn) Figure 6 Velocity CUlNe of back 5 Ffln distance on flow field 52壓力分布 計(jì)算結(jié)果表明壓力分布呈減小趨勢(shì)，在噴嘴人口 處壓力損失較大。圖7為噴嘴上游流場(chǎng)壓力分布圖。 從圖中可以看出，由于噴嘴人口突然減小，主流方向上 的壓力分布在此處顯突減趨勢(shì)。 53流跡線(xiàn)分布 圖8為噴嘴上游流場(chǎng)流線(xiàn)分布圖，流跡線(xiàn)顯示噴 嘴上游流場(chǎng)的流型，并且以速度著色。從圖中可以看 出噴嘴入口兩邊出現(xiàn)了渦流區(qū)。在渦流區(qū)內(nèi)，流體與 管壁的摩擦加劇，增大流動(dòng)阻力，會(huì)加大流體的能量損 失一J。這是由于導(dǎo)管與噴嘴之間的過(guò)渡為直角過(guò)渡 的緣故。 54討論 為了研究導(dǎo)管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴嘴出口流速的影響， 給定噴嘴的長(zhǎng)度f(wàn)和直徑d分別為2 mm和05 mm， 喜鼬|；喜|伽鋤螄伽伽珈咖 筠 坫 m 0一1s邑一讎髑審冪輝塔 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 18 輕工杌被Light Industry Machinery 2010年第5期 圖7噴嘴入口的壓力梯度 Figure 7 Pressure gradient of nozzle entrance 圖8流線(xiàn)分布 Figure 8 Streamline distribution 初始質(zhì)量流量q。=35 gs。導(dǎo)管長(zhǎng)度Lmm和導(dǎo)管 直徑Dmm選取不同數(shù)值，計(jì)算出噴嘴出口流速 (mlns叫)的值，見(jiàn)表l。 表1 導(dǎo)管結(jié)構(gòu)參數(shù)與噴嘴出1：2流速 口的關(guān)g(mms。) Table 1 The relationship of tle structural parameters of pipe and the nozzle exit velocity 從表l中可以看出，導(dǎo)管長(zhǎng)度和直徑共同影響噴 嘴出口流速。一方面，噴嘴出口流速與導(dǎo)管長(zhǎng)度成正 比。另一方面，導(dǎo)管直徑35 mm時(shí)，噴嘴出口流速 反而有減小趨勢(shì)，這點(diǎn)從流速的分布圖中也可以反映 出。導(dǎo)管長(zhǎng)度和直徑分別取45 mill和35 mill時(shí)，噴 嘴出口流速最大。 6結(jié)語(yǔ) CFdesign提供了強(qiáng)大的計(jì)算功能和后處理能力， 從而更直觀(guān)地了解噴嘴上游流場(chǎng)詳盡的流動(dòng)行為。通 過(guò)霧化噴嘴上游流場(chǎng)的數(shù)值模擬分析和討論，得出以 下結(jié)論： 1)根據(jù)流速梯度分布分析，噴嘴人口的速度變化 率隨導(dǎo)管與噴嘴直徑比增大而增大。 2)流體流跡線(xiàn)分布顯示噴嘴人口的形狀影響噴 嘴速度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以設(shè)計(jì)成圓錐收縮型0|，以減 小流動(dòng)阻力，提高噴嘴出口流速。 3)導(dǎo)管長(zhǎng)度和直徑共同影響噴嘴出口流速，為了 得到更大的出口流速，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，找出最合理 的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 參考文獻(xiàn)(References)： 1】 田春霞。仇性啟，催運(yùn)靜噴嘴霧化技術(shù)進(jìn)展J工業(yè)加熱，2005， 34(4)：4043 2 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