基于脉冲的拉瓦尔喷管扩张段流动特性分析

毕方淇 ， 董 晓

（淄博市农业机械研究所，山东 淄博 255038）

拉瓦尔喷管广泛应用在农机、航空、武器、喷涂、粉末或雾滴发生器中[1-2]。但某些工况下，由于拉瓦尔喷管尺寸较小，其内部流动不宜观测，采用Fluent等仿真软件对其进行研究成为重要方式之一。

胡峰源等[3]发现，通入脉冲气流的拉瓦尔喷管长袋清灰效果更佳。战仁军等[4]研究发现脉冲拉瓦尔型喷嘴在雾化效果和射程上都能达到很好的效果。但两者均未对脉冲工况下拉瓦尔喷管扩张段流动特性分析研究。

本文对通入脉冲气流的拉瓦尔喷管仿真，尝试获得在脉冲工况下拉瓦尔喷嘴扩张段流动特性。

1 理论模型

拉瓦尔喷嘴内流动可视为一维等熵流动，流动过程中满足绝热和无摩擦条件[5]。

二维轴对称积分形式的可压缩非定常 Navier-Stokes方程：

式中：U为守恒变量；（FC,GC）和（FV,GV）分别为对流通量和黏性通量；H为轴对称几何源项。

2 网格模型

采用维托辛思曲线建立收缩段，SolidWorks建立几何模型，导入icem网格划分，块拓扑结构如图1所示。

图1 几何模型图

采用轴对称模型，其中A为入口，截面积5 600mm2；最小截面面积400mm2；B为出口；C为对称轴；总长465mm，总高97mm。

边界层首层尺寸0.1mm，比率1.2。网格生成后局部如图2所示。合计47 200单元。

3 仿真模拟

采用Fluent对该模型进行仿真。

湍流模型采用Realizable k-e，增强壁面；材料为空气，密度为Ideal，黏度为Sutherland；UDF如下。

图2 网格局部图

边界条件中，图1中C为对称轴，A为压力入口，总压T_p，超声压力S_p；B为压力出口；采用Coupled耦合算法。

标准加载，计算步长5e-5s，步数1 500步。

之后在模型中设置四个监测点，位置在距离轴线5mm位置，P1在截面最小处，P2-4分别在P1右侧19mm、38mm、98mm处。

4 结果分析

分别选择某个时间点和监测点的时间历程曲线进行分析，分析以上几点在一个脉冲周期内的马赫数变化。

5e-3s时，模型局部速度如图3所示。

图3 模型整体及局部速度云图

根据图3，发现当入口采用脉冲压力时，拉瓦尔喷管扩张段会出现多重堆叠的压力波，外侧形成了一个边界不断变化的激波。

各点速度时程曲线如图4所示。

图4 各点速度时程曲线

分析发现，P1处速度较稳定，保持在音速附近，在两周期脉冲切换时间点，速度波动较小；P2处速度反复波动，在两脉冲周期切换时间点，速度会发生突变；这也解释了图3中激波左部出现大量重合压力波现象。P3、P4两点压力波动基本与入口处压力波动吻合，但是在波峰位置额外出现大量小幅震荡。

5 结论

通过对拉瓦尔喷管进行脉冲入口瞬态仿真，得出以下结论：

1)当入口压力变化时，喷管扩张段会出现多重堆叠的压力波，外侧形成了一个边界不断变化的激波。

2)当入口压力变化时，扩张段及之后速度随之发生震荡，这种震荡主要发生在脉冲的波峰段。

3)离开喷管后的气体也会在一定范围内保持周期性的速度变化，并对外部产生一定的周期性冲击。