| 废气引射抽尘流场数值模拟 |
| 作者 ：武文豪，马成荫，张保成 | | 更新时间：2008-2-15 |
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（1，中北大学，太原，030051；2、内蒙古第一机械集团科研所，包头，014032）
（1，中北大学，太原，030051；2、内蒙古第一机械集团科研所，包头，014032）
摘要：通过对原废气引射抽尘装置的三维引射掺混流场进行模拟计算分析，并根据数值模拟结果对喷管结构进行改进，以使其更好地满足涡轮增压发动机的使用需要。原结构的数值模拟结果与实际实验相吻合，计算结果与实际物理过程符合。在本文中给出了主喷管喷嘴形状进行改进后的流场模拟情况，并对结果进行分析讨论。本文的计算方法可以有效地用来预测引射流量比和揭示混合流场特性。
关键词： 引射抽尘；数值模拟；三维流动；掺混；波瓣喷管
Numerical computation of exhaust gas for drawing dust
Wu Wen-hao1, Ma cheng-yin2, Zhang Bao-cheng1
(1. North University of China, Taiyuan, 030051;
2.Inner Mongolia NO.1 Machinery C0,LTD, Baotou, 014032)
Abstract: The 3-D flow fields in ejector-mixers were simulated in the model, which is the origin model of the drawing dust with the exhaust gas. Base on the result of the simulation, the shape of the nozzle was mended, so as to make it better satisfy for the use of the engine which work with turbo. And the simulated results of the original configuration are well matched with the experiments. It is shown that the present calculation is reasonable. In this paper the further flow model’s computation calculations also are given. And analysis and discussion of the results are also given. And the research and discipline presented in this paper will effectively predict the flow ratio of ejection and describe the performance of a mixing flow field.
Key words: drawing dust with the ejector; numerical computation; three dimensional flow; mixing; lobed nozzle
引射混合器是利用主喷管射流的动能引射环境空气，并与之混合，从而实现引射抽尘、降温、降速、降噪等目的。在某主战坦克上利用废气引射装置来进行除尘，其主喷管为圆锥形喷管，但在目前来看，主喷管已发展到以波瓣为代表的结构复杂的喷管，该喷管的引射量大，掺混均匀，混合距离短[1]。本文从工程实用的角度出发，采用 FLUENT 商用软件，运用紊流双方程模型及壁面函数法对三维波瓣喷管引射—混合器的流场和引射特性进行了数值研究，对包括改进后的波瓣管在内的引射掺混流作了探讨和分析。
1、 流场模型及计算方法
引射混合器内流场由一组偏微分方程所控制，它们是连续方程、动量方程及 湍流双方程（湍动能 与湍动耗散率 ），在所研究的流场中取笛卡尔坐标系，主喷管的轴线为x轴，方向与主流动方向一致。如果用 表示各因变量，则控制方程在笛卡尔坐标系中写成如下通用形式：
其中 是广义变量， 是相应于 的广义扩散系数、 是与 对应的广义源项。
1.1 计算模型
图1中给出了引射抽尘管的截面图，在计算中以整个流场的模型进行建模。三个改进模型是在主喷嘴出口截面积相同的情况下，对各个截面进行结构改进。由于波瓣引射效率高，引射比大，这里结合现有的实际模型，只是在上半截增加两个波瓣进行气流的混合。这样处理的目的是在保证原结构变动不大的情况下，所作的流场分析计算结果具有更高的可靠性。
对于改进模型1来说，两个波瓣夹角为80°，波瓣宽度为7.2mm，高度为16mm；改进模型2的波瓣形状与改进模型1的相同，只是两个波瓣间夹角为108°；改进模型3与改进模型2的相比，只是改变波瓣的宽度与高度，宽度改为10mm，高度为11mm。
前后改进模型的区别在于主喷嘴的出口截面形状，改进后的模型在保持原有面积不变的基础上，开设了两个波瓣。波瓣的相对位置在引射管进口的两侧各一个，见图3所示。
本文在对整个体划分网格时考虑计算机的承受能力及网格的精度，采用结构网格与非结构网格技术相结合的混合网格技术，将整个流场区域划分为几个规则区域与一个不规则区域，在规则区域采用Cooper技术划分网格，在不规则区域采用TGrid网格技术，这样可以节省网格划分的时间，同时也可以保证精度。在采用Cooper 网格技术可以在较少的网格数的条件下保证网格的精度，也保证了计算精度。
1.2 计算方法的选择
对于分离式和耦合式求解器来说，现在都适用于从不可压缩到高速可压的很大范围内的流动。但在计算高速可压流动时，使用耦合式求解器更有优势。耦合式求解器耦合了流动和能量方程，可以很快的收敛，它所需要的内存也很大，是分离式求解器的1.5到2倍，所以权衡利弊在计算机条件的限制下选用分离式求解器。
在比较几种 算法后，Realizable 模型比较接近实际情况，并且被有效的应用于包含有射流和混合流的自由流动、管道流动及边界层流动[2]。
本文在计算过程中，采用有限体积法（FVM）离散控制方程，Realizable 二方程模型，耦合能量方程，流体粘性热效应方程，近壁面处使用壁面函数修正的方法对整个引射流场进行数值模拟。
1.3 各边界条件分析
引射流场主进口采用质量进口边界；引射流作为求解对象，采用进气口边界；混合流体出口采用出风口边界；固体壁面采用无滑移、无渗流、绝热边界。
各边界参数设定如下：
主流入口： 质量流量为0.5695kg/s，温度为973K。
引射入口： 由试验所测得的真空度给出进口压力为75730Pa，温度为298K。
混合流出口：背压，环境压力90700Pa（包头地区）。
以上边界条件的确定由实车试验在最大负荷时，1800～2000转/分的情况下测得的实际数据为依据。为了得出相近的引射流量，真空度要比实际的大200Pa。
在计算中以空气代替发动机废气，其密度按理想气体计算，比热、粘度由温度的分段函数形式给出。以空气代替废气对计算引射比没有影响，只是对传热有一定的影响，但这个影响可以忽略。
2、 计算结果及分析
2.1 计算结果
在计算中主要关心的两个结果，即引射比及其所需要的背压。引射比越高，引射性能越好，所需要的结构能够进一步缩减；背压越低，也就是说在涡轮增压发动机后排气越顺畅，对发动机功率负面影响越小。在表１中主进口总压即是发动机所需要提供的背压。
表1 各流场模型计算结果对比
原模型 改进1模型 改进2模型 改进3模型
主进口总压（Pa） 110696-115577 112315-117591 112145-117465 111592-116866
引射流质量流量（kg/s） 0.0496 0.0574 0.0585 0.0575
引射比（%） 8.7 10.1 10.3 10.1
图 4～6分别是压力云图对比。（ａ代表原模型，ｂ代表改进模型1，ｃ代表改进模型2，ｄ代表改进模型3）
2.2 结果分析与讨论
1） 由表1中发现，结构改进后的引射比都比原模型的有所增加，其中改进模型 2增加最多，改进模型 1与改进模型 3增加的基本相同。这个与邵万仁[3]所作试验研究中的结果相近。由计算结果可知，抽尘管中抽尘气流速度在52m/s以上，完全满足了抽尘的需要[4]。
2） 同时改进后的模型的进口总压都比原模型增加，其中改进1模型增加最多，增加幅度在1.46%～1.74%；改进模型 3增加最小，增加幅度为0.81%～1.11%。造成总压增加的原因是由于在波瓣处由于壁面效应使得气流通过此处时引起较大的摩擦。在改进模型 3中由于波瓣的宽高之比接近于1，因而总压增加最小。
3） 由图 4中显示的结果中可以看出，改进后的模型的压力变化都在向上偏移一些，表明其相应的速度流场及温度场的分布也向上偏移，在改进模型 3中偏移最小。造成偏移的原因是由于主喷嘴截面上下分布不均匀造成的，因此在改进主喷嘴后，对随后的混合管、扩压管出口也应作相应的变化，使引射效率增加更多。
4） 由图5可以看出波瓣混流的效果，改进模型 1、改进模型 2及模型 3都显示了波瓣混流的作用，在改进模型 3中显示最为明显。在改进模型1中，由于波瓣夹角太小，由引射管进来的气流不能充分的与整个主喷嘴出口气流完全混合，因而压力分布于原模型相比改变不大。在改进模型 3中，夹角增大，同时波瓣高度降低，因而使混流效果明显。
5） 图6中显示各个模型主喷嘴进口处的总压分布，由图看出，在改变主喷嘴出口截面形状后，对进口的压力分布几乎没有影响，只是对压力大小有所改变。
3、 结束语
由以上结果及分析讨论，可以得出如下结论，改进模型 2 和改进模型 3 的要好。另外波瓣的形状及分布位置对引射效果有着很大的影响，波瓣形状的高宽比越大，引射的效果越好，对后续的混合管及扩压管的改动要求也大，因带来的气流与壁面接触增加，所需要的背压也要增加。针对于排气压力较高的发动机可以选择模型 2 ，反之模型 3 较为合适。
对于改进后的三个模型的计算结果还有待于实验验证，考虑到在实际加工过程条件，实际引射比的值要比计算值小一些，但是仍应比原先的结构要有利于引射。
本文用SIMPLE算法成功地计算了具有复杂型面在内的三维引射掺混流场。并且计算结果与实际试验值相近，表明该软件对三维复杂流场具有足够的精度，对工程设计具有一定的指导意义；在此基础上所给出的结构改进后的计算结果也具有一定的实际意义。
4、 参考文献
[1] 吴涛生．波瓣形强化混合结构及其在航空发动机上的应用[J]．中国航空学会第三届动力年会论文，CSAA，93-P-118（C），重庆，1993
[2] 王福军．计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M]．北…… 全科论文中心http://www.issncn.net
全科论文中心http://www.issncn.net
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