基于Fluent的超音速喷嘴的数值模拟及结构优化.pdf

学兔兔 基于Fluent的超音速喷嘴的数值模拟及结构优化 Numericalsimulationandstructureoptim izationofsupersonicnozzle basedonFluent 高全杰，汤红军，汪朝晖，贺 勇 GA0Quan-jie，TANGHongqun，WANGZhao．hui，HEYong (武汉科技大学机械自动化学院，武汉 430080) 摘 要：对超音速laval喷嘴进行了热力学计算及几何参数计算，确定了喷嘴的几何尺寸。利用Fluent软 件对喷嘴内流场进行数值模拟，得到了喷嘴内流场的分布规律。改变喷嘴的结构，分析了收 缩段和扩张段的不同结构对喷嘴出口速度的影响。结果表明，喷嘴内气流的温度和压力逐渐 减小，速度逐渐增大，说明了气流经历的是减压增速降温的膨胀过程，并验证了喷嘴设计的 合理性。收缩段的结构对喷嘴出口速度基本没有影响，而出口直径对出口速度有较大影响， 并以此为依据得出了结构优化后的喷嘴尺寸，对于今后超音速喷嘴的理论研究及优化设计具 有一定的参考作用。 关键词：Laval喷嘴；数值模拟；流场；结构优化 中国分类号：TH16；TK263．4 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2015)02(下)-oo88-o4 Doi：10．396cl／J．issn．1009-0134．2015．02(下)．27 0 引言 塑 ：一Ma2 (3) 超音速Laval喷嘴是超音速设备中的核心部件，在 p V 天然气脱水和重烃分离 、转炉炼钢 、冷喷涂口、激光 ： 一 一 1)Ma： (4) 切割H等工业生产领域具有广泛应用。因此，确定合理 ?’ ’ V 的喷嘴尺寸结构，优化喷嘴的性能，是提高超音速设备 其中，Ma为马赫数；A为喷嘴的截面积(mm)，P为 工作效率的重要途径。目前对于超音速喷嘴的设计还主 喷嘴内压强(Pa)，p为气体密度(kg／m)，T为喷嘴内温 要依赖于经验和实验，缺乏一套完整的理论计算方法。 度(K)，V为气体流速(m／s)。 本文根据气体动力学的方法设计出了满足条件的超音速 在喷嘴中，由于dV／V0，所 以dP／PO，dp／p0， 喷嘴 间，并通过对喷嘴的优化，为喷嘴的设计、制造及 dTT／0，即气流经历的是减压增速降温的膨胀过程 。由 优化提供 了参考和指导。同时，对喷嘴内部流场进行数 式(1)可以看出，当Mal时，dA／A0；当Mal时，dA／ 值模拟，找出了喷嘴流场的各状态参数的变化规律，为 A0；当Ma=l时，dAJA=0。即喷嘴亚音速段的截面应 超音速喷嘴的理论研究奠定了基础口。 当逐渐缩小，气体流速逐渐增大；当喷嘴沿截面收缩到 1 喷嘴的结构设计及尺寸的确定 最小处喉部时，喉部处的截面保持恒定，流速达到临界