基于ANSYS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ANSYS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4期(總第29期) 2008年7月 贏體鈷幼勇控副 nuid Power Transmission and Control No4(Serial No29) July2008 數(shù)值模擬技術(shù)在噴嘴霧化方面的應(yīng)用水 劉耀林賈濤任麗華 (寧波大紅鷹職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院浙江寧波315175) 摘要：建立噴霧器噴嘴霧化的數(shù)值模擬模型，描述了噴霧器噴嘴內(nèi)流體流動(dòng)狀況。編制出噴霧器噴嘴流場(chǎng)的APDL 計(jì)算程序，適應(yīng)于各種條件和T況的數(shù)值模擬分析。 關(guān)鍵詞：噴嘴；霧化；數(shù)值模擬；APDL 中圖分類(lèi)號(hào)：THl37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：16728904(200804-0026-003 引 言 除各種燃料的燃燒外，霧化技術(shù)在非燃燒工業(yè) 如催化造粒、食品加工、粉末涂覆、農(nóng)藥噴灑方面等 也有著廣泛的應(yīng)用。噴嘴霧化是一種常見(jiàn)的物理 過(guò)程，家用噴霧器是把水壓入細(xì)管造成高速水流， 高速水流碰到障礙物后裂成小水滴。噴霧器噴嘴內(nèi) 部霧場(chǎng)的分布、流體的流動(dòng)特征、霧滴粒徑以及霧 化角的大小是決定噴嘴霧化質(zhì)量的關(guān)鍵因素【2I。本 文主要針對(duì)排出量為300-350mLmin的家用噴霧 器建立噴嘴霧化模型，探討數(shù)值模擬技術(shù)在噴霧器 噴嘴霧化中的應(yīng)用，以期獲得對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有一定指 導(dǎo)意義的數(shù)據(jù)。 1數(shù)值模擬技術(shù)介紹 近10多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少研究單位致力于噴 嘴霧化數(shù)值模擬的研究，并取得了較大的進(jìn)展。目 前應(yīng)用較廣的大型數(shù)值模擬軟件有ANSYS、 PHEONICS、FLUENT、ABAQUS、KIVA和CFX等【31。 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng) 分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上 最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開(kāi) 發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和 交換。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì) 算模塊和后處理模塊。ANSYS軟件提供了100種以 上的單元類(lèi)型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材 料。目前版本為ANSYSl 10版c4j。 ANSYS程序中的FLOTRAN CFD分析功能是 一個(gè)用于分析二維及三維流體流動(dòng)場(chǎng)的先進(jìn)的工 具，使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的 ，基金項(xiàng)目：浙江省教育廳資助規(guī)劃科研項(xiàng)目(20060348) 收稿日期：20080410 作者簡(jiǎn)介：劉耀林，男，講師，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器、有限元分析、數(shù) 控機(jī)床仿真與故障診斷。 FLUID 141和FLUID 142單元，可解決噴霧器中的 流場(chǎng)問(wèn)題。ANSYS軟件一般分析過(guò)程包括建立有限 元模型一施加邊界條件一求解計(jì)算一結(jié)果分析。為完 成這些步驟，ANSYS軟件提供了兩種操作方式，即 用戶圖形界面(GUI)操作與參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言 (APDL)操作。ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(ANSYS PARAMETER DESIGN LANGUAGE)是一種通過(guò)參 數(shù)化變量方式建立分析模型的腳本語(yǔ)言。它可作任 何、ASCII文件的編輯軟件生成，建立的APDL命令 流文件不受軟件版本和系統(tǒng)平臺(tái)的限制，特別適用 于復(fù)雜模型及模型需要多次修改重復(fù)分析的問(wèn)題， 也更加有利于保存和交流。【51本文所研究的各種噴 霧器噴嘴霧化效果均采用編寫(xiě)APDL命令流文件完 成分析。 2噴嘴霧化模型的建立 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。當(dāng)操作者上下?lián)鍎?dòng)噴 嘴時(shí)，使閥桿在泵體內(nèi)作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)閥桿上 行時(shí)，活塞向上運(yùn)動(dòng)，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(shí)塑料 瓶?jī)?nèi)的液體在液面和泵體內(nèi)的壓力差作用下沖開(kāi) 進(jìn)水閥(彈珠)，沿著進(jìn)口吸管進(jìn)入泵體，完成吸水 過(guò)程。當(dāng)閥桿下行時(shí)，閥針向下運(yùn)動(dòng)，泵體內(nèi)的流體 被擠壓，使流體壓力驟然增高。在這個(gè)壓力的作用 下，進(jìn)水閥被關(guān)閉，出水閥(玻璃球)被壓開(kāi)，液體通 過(guò)閥桿進(jìn)入噴頭被霧化噴出。其內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)如圖 l所示。 噴霧器噴嘴內(nèi)液體的流動(dòng)過(guò)程比較復(fù)雜，涉及 多維多相流體流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)等問(wèn)題。利用有限元 分析軟件ANSYS建立噴霧器內(nèi)噴嘴霧化模型，選 取噴嘴、閥桿與閥針組成的流體有效通徑為計(jì)算區(qū) 域，劃分計(jì)算模型網(wǎng)格，經(jīng)邊界條件和流體參數(shù)的 設(shè)定即可進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和求解。所建立的噴嘴霧化 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 2008年7月 劉耀林等：數(shù)值模擬技術(shù)在噴嘴霧化方面的應(yīng)用 1一園弧鴨嘴；2一閥桿；3一活塞閥針；5一彈簧；6一彈 珠；7一吸管 圖1噴嘴結(jié)構(gòu)原理圖 模型如圖2所示。 圖2噴霧器噴嘴計(jì)算網(wǎng)格圖 3數(shù)值模擬結(jié)果及討論 31噴嘴突出長(zhǎng)度對(duì)流體流速分布的影響 建立不同噴嘴突出長(zhǎng)度L的噴霧器噴嘴霧化 模型。通過(guò)比較噴嘴流場(chǎng)的軸向速度分布情況發(fā) 現(xiàn)：在相同工況下，噴嘴突出長(zhǎng)度越大，噴嘴出口速 度最小，射流比較分散，這樣可能造成噴嘴噴射分 散；而噴嘴突出長(zhǎng)度越小，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 噴嘴突出長(zhǎng)度L適中時(shí)，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(jìn)行噴霧。 經(jīng)比較噴嘴突出長(zhǎng)度應(yīng)選取值為3913ram。 32輸入管入口速度對(duì)流體流速分布的影響 建立輸入管人口速度變化噴嘴霧化模型。比較 噴霧器噴嘴流場(chǎng)的軸向速度分布情況發(fā)現(xiàn)：在相同 工況下，入口速度V越小，噴嘴出口速度也相應(yīng)減 小，噴射能量也會(huì)減?。欢龃笕肟谒俣?，雖然會(huì)使 噴嘴出口速度增加，造成比較集中密實(shí)的射流，但 霧化角度減小，而且在噴嘴內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊 速度，造成噴嘴拐角處沖蝕破壞，嚴(yán)重情況下還會(huì) 造成噴嘴堵塞，因此，噴嘴人口速度應(yīng)該適中，不可 過(guò)大也不能太小。 33噴嘴輸入管內(nèi)徑對(duì)流體流速分布的影響 分別建立不同噴嘴輸入管內(nèi)徑下噴嘴霧化模 型，比較噴嘴流場(chǎng)的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)。在相同工況下， 噴嘴輸入管內(nèi)徑R越小，噴嘴入口和出口速度也相 應(yīng)減小，噴射能力減弱；而增大輸入管內(nèi)徑，雖然會(huì) 使噴嘴出口速度增加，但霧化角度減小，而且在噴 嘴內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊速度，造成噴嘴拐角處沖 蝕嚴(yán)重，因此，噴嘴輸入管內(nèi)徑大小應(yīng)該適中。選取 R=I765即可。 綜上所述，在相同工況下，噴嘴突出長(zhǎng)度、輸入 管入口速度以及輸入管內(nèi)徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)噴 霧器噴霧性能有較大的影響，這些結(jié)構(gòu)參數(shù)相互配 合，存在最優(yōu)值，最后得到噴霧器噴嘴霧化最佳效 果如圖3所示。 圖3噴霧器噴嘴霧化最佳效果圖 4噴嘴流場(chǎng)的APD分析 對(duì)噴霧器噴嘴霧化效果分析和模擬過(guò)程也是 一個(gè)反復(fù)建模、加載和計(jì)算的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中， 噴嘴霧化模型的結(jié)構(gòu)大體一致，只是相對(duì)位置發(fā)生 變化，它所受到的載荷的個(gè)數(shù)并沒(méi)有增加，而且作 用點(diǎn)和方向也都沒(méi)有改變，只是載荷的大小發(fā)生了 改變。在每次計(jì)算完之后，只要改變載荷數(shù)值值，就 可以完成加載工作，因此可以用APDL語(yǔ)言編寫(xiě)的 程序加載。 以下是為了模擬噴嘴突出長(zhǎng)度變化時(shí)噴嘴內(nèi) 部流體速度分布而編寫(xiě)的命令流和代碼： 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 贏體秸動(dòng)鼻控烈 2008年第4期 BATCH !求解運(yùn)算 KEYW，PRCFD，1 POSTl 1指定分析類(lèi)型為FLOTRAN CFD SET，LAST COM，F(xiàn)LOTRAN CFD !調(diào)入最后運(yùn)算的結(jié)果 FILN，Sprayer VSCALE，l，1，0 1指定工作文件名PLVECT，V，VECT，ELEM，ON，0 TITLE，The CFD analysis of Sprayer !以向量方式顯示速度的分布情況 !指定工作標(biāo)題 SAVE PREP7 DEVICE，VECTOR，1 1進(jìn)入前處理器 EDGE，l，l，1 ET，1，F(xiàn)LUIDl41 1設(shè)置實(shí)體邊緣顯示的模式 !指定單元類(lèi)型 GLINE，1，0 K，1，0，0 REPLOT !開(kāi)始建模 FINISH ?、 SAVE SAVE !保存運(yùn)算結(jié)果 !保存模型 EXIT，ALL AMESH，ALL !退出ANSYS系統(tǒng) !對(duì)面采用自由網(wǎng)格劃分 結(jié)論 REPLOT 鋪 F匕 SAVE (1)應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)衡量噴霧器噴嘴霧化效 FINISH 果，已成為噴嘴流體力學(xué)研究與結(jié)果設(shè)計(jì)強(qiáng)有力的 SOLU 工具。 !進(jìn)入求解器 (2)在相同工況下，噴嘴突出長(zhǎng)度、輸入管人口速 LSEL，S，1 度以及輸入管內(nèi)徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)噴霧器噴霧性 !在入口處施加流體速度 能有較大的影響。噴霧器排出量為300一350mLmin， NSLL，1 通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴嘴突出長(zhǎng)度L=3913mm，輸 NPLOT 人管入口速度適中，輸入管內(nèi)徑r=-I765時(shí)，可以得 D，ALL，VX，0 到非常密實(shí)、集中的噴射射流，霧化角度較大，對(duì)噴射 一、 內(nèi)部的射流沖擊力較小，霧化質(zhì)量明顯提高。 SAVE (3)通過(guò)編寫(xiě)分析過(guò)程的APDL命令流和代碼， ALLSEL，ALL 能大大提高設(shè)計(jì)和分析效率，更好地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì) FLDATA8，NOMI，DENS，1000 工作。 !設(shè)置流體性質(zhì)和參數(shù) 參考文獻(xiàn) FLDATA8NOMI。VISC089E一3 11于茂軍，仇性啟氣泡霧化噴嘴技術(shù)J】工業(yè)加熱，200635 FLDATA 14，TEMP，NOMI，20 (4)：13 FLDATA4，TIME。STEP。002 嘲SOVANISD，SOJKAPE，LEFEBVREA Hn，escent A一 !設(shè)置迭彳弋次數(shù) ：嘉2ti70nJ8P3r0592rel鷦in En。嘟and Combu8幽n Science FLDATA4，TIME，ISTEP，0 31王國(guó)輝，綦體敏等一種旋流式噴嘴的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究陰 FLDATA4，TIME，NUMB，50 推進(jìn)技術(shù)，2003，2：24(1)：35 FLDATA4，TIME，TEND，01 【4】王國(guó)強(qiáng)實(shí)gl-r程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐 FLDATA4，TIME，GLOB，10 【M西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001 SAVE 51許光明ANSYS基礎(chǔ)及其在工程上的應(yīng)用M】沈陽(yáng)：東 SOLVE 北大學(xué)出版社，2002 Research on Numeric Simulation Technology in Jet Atomiztion UU Yaolin jIA Tao RENG Lihua 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 數(shù)值模擬技術(shù)在噴嘴霧化方面的應(yīng)用 作者： 劉耀林， 賈濤， 任麗華， LIU Yao-lin， JIA Tao， RENG Li-hua 作者單位： 寧波大紅鷹職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院,浙江,寧波,315175 刊名： 流體傳動(dòng)與控制 英文刊名： FLUID POWER TRANSMISSION AND CONTROL 年，卷(期)： 2008,29(4) 參考文獻(xiàn)(5條) 1.許光明 ANSYS基礎(chǔ)及其在工程上的應(yīng)用 2002 2.王國(guó)強(qiáng) 實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐 2001 3.王國(guó)輝;蔡體敏 一種旋流式噴嘴的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究期刊論文-推進(jìn)技術(shù) 2003(01) 4.SOVANISD;SOJKAPE;LEFEBVREA H Effervescent Atomization外文期刊 2001(04) 5.于茂軍;仇性啟 氣泡霧化噴嘴技術(shù)期刊論文-工業(yè)加熱 2006(04) 本文鏈接：http:/