基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究【含有限元】【說明書+CAD+PROE】

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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 霧化技術及霧化噴嘴有著廣泛的用途，幾乎已經 涵蓋所有的工業(yè)領域，如交通運輸、農業(yè)生產，以及人 民的13常生活。近年來，霧化技術在家用領域的運 用也越來越重要。由于高壓灌裝噴嘴存在易爆炸等安 全隱患，不便長途運輸與攜帶，使得人們越來越青睞低 壓噴嘴。低壓家用噴霧器由于其應用目的的不同，操 作過程的差異，結構存在著較大的差別，但均基于流體 噴射原理口】。在低壓家用噴霧器的設計與改進過程 中，為了進一步研究低壓霧化噴嘴的噴霧特性，得到更 好的霧化效果，必須對霧化噴嘴上游流場進行深入地 研究。本研究利用Blue Ridge Numerics公司開發(fā)的流 體仿真軟件CFdesignbl對噴嘴上游流場進行數(shù)值模擬 與分析，并對影響噴嘴出口流速的導管結構參數(shù)進行 研究與對比，可以為噴霧器結構設計和性能改進提供 些理論依據(jù)。 1 結構模型 本研究以市場上常見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和快速成型技術方面的研究。E-mail：dxthzca 萬方數(shù)據(jù) 16 輕工機械Light Industry Machinery 2010年第5期 為初始結構模型，如圖1所示。手扣式噴霧器的工作 原理是：扣動扳手，液體通過吸管壓進泵體；快速擠壓 活塞，流體產生一定速度流進導管，形成高速射流。高 壓射流通過噴嘴形成液霧，達到霧化的效果。 噴 嘴 泵 體 圖1 某種手扣式噴霧器結構圖 Figure l The structure diagram of a handbutton sprayer 2計算模型與參數(shù) 21計算模型簡化 在數(shù)值模擬前，要對噴霧器結構模型進行簡化。 根據(jù)液體在噴霧器中的流動情況，簡化模型只保留導 管和噴嘴的流體區(qū)域部分(噴嘴上游流場流體域)，如 圖2所示。 圖2噴嘴上游流場簡化計算模型 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 直線運動，則從泵體流人導管的流體可以看成穩(wěn)流，即 初始流量為定值。計算參數(shù)：導管長度和直徑D分 別為40 mm和35 mm；噴嘴長度Z和直徑d分別為2 nlIn和05 mm；導管人口初始質量流量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)定的計算結果，CFdesign在數(shù)值模擬過 程中使用標準k一占湍流模型【5 J。分析過程中使用到 的控制方程有2種剖。 31 連續(xù)方程 連續(xù)方程是從流動液體的質量守恒中演化出來 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 動量方程 動量方程基于牛頓第二定律。不可壓縮流體的動 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：粵+霉+霉 。 a石 a)， az 方程(1)一(2)合并稱為不可壓-|s方程，或稱為 原始變量不可壓-S方程。 4數(shù)值模擬過程 CFdesign是一款功能強大的計算流體力學軟件。 該軟件可以對SolidWorks、proE、UG和CATIA等各種 CAD軟件所建立的模型直接導入進行數(shù)值模擬、流場 分析。為產品的研發(fā)、生產和改進提供了重要的參考， 縮短了用于實體原型和實驗的時間。 該軟件模擬霧化噴嘴上游流場的過程： 1)啟動CFdesign。本研究從SolidWorks中啟動 CFdesign插件，進入CFdesign軟件界面。 2)設置邊界條件(Boundary Conditions)。入口 面(inlet) 類型為質量流量(mass flow rate)，數(shù)值為 175 gs；出口面(outlet) 類型為壓力，數(shù)值為0 Pa；對稱面類型為對稱(symmetry)。 3)設置網(wǎng)格(Mesh Definitions)。軟件的自動劃 分網(wǎng)格功能強大。為了得到更精確的結果，手動設置 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)設置材料(Materials)。流體域的類型為fluid， 名稱為H20constanto 5)選擇分析類型選項(analysis type and options)。 默認設置：不可壓流體，標準，cs湍流模型。 6)分析計算(Analyze)?；谇拔乃龅暮喕?型，分析方式為穩(wěn)態(tài)分析。為了讓迭代充分進行，利用 自動收斂準則(Automatic Convergence Assessment)來 決定迭代終止，求解步數(shù)設為300次(Iterations to run 萬方數(shù)據(jù) 研究設計】 董星濤，等 基于CFdesign的霧化噴嘴上游流場數(shù)值模擬研究 17 =300)。結果顯示在289步時收斂。 7)顯示結果(Results Visualization)。軟件提供了 多種多樣的后處理形式。針對本實例，選取對稱切面 流速、壓力、流跡線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計算結果分析與討論 51 流速分布 數(shù)值模擬結果顯示，噴嘴上游流場主流方向的流 速(x方向的流速)總變化呈增大趨勢。但流速在導 管部分增大緩慢，流經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，這是 因為噴嘴人口突然減小的緣故。 圖4噴嘴入口的速度梯度 Figure 4 Velocity gradient of nozzle entrance 進一步分析流速的變化趨勢：流場前37 mm距 離，流場軸心流速變化范圍為367134547689 mm S，每mm速度增加4880 mms；流場后5 mm距離，流 場軸心流速變化范圍為54768924 104600 mms， 每mm速度增加4 711382 mms。2部分的流場軸心 的速度變化曲線分別如圖5、圖6所示。結合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 流場前37 mm距離的速度曲線 Figure 5 Velocity curve of front 37 mm distance on flow field 00 05 10 I5 ZU Z5 3U 35 40 45 50 長度tm 圖6流場后5 mln距離的速度曲線 Figure 6 Velocity CUlNe of back 5 Ffln distance on flow field 52壓力分布 計算結果表明壓力分布呈減小趨勢，在噴嘴人口 處壓力損失較大。圖7為噴嘴上游流場壓力分布圖。 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。 53流跡線分布 圖8為噴嘴上游流場流線分布圖，流跡線顯示噴 嘴上游流場的流型，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，流體與 管壁的摩擦加劇，增大流動阻力，會加大流體的能量損 失一J。這是由于導管與噴嘴之間的過渡為直角過渡 的緣故。 54討論 為了研究導管結構參數(shù)對噴嘴出口流速的影響， 給定噴嘴的長度f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流線分布 Figure 8 Streamline distribution 初始質量流量q。=35 gs。導管長度Lmm和導管 直徑Dmm選取不同數(shù)值，計算出噴嘴出口流速 (mlns叫)的值，見表l。 表1 導管結構參數(shù)與噴嘴出1：2流速 口的關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，導管長度和直徑共同影響噴 嘴出口流速。一方面，噴嘴出口流速與導管長度成正 比。另一方面，導管直徑35 mm時，噴嘴出口流速 反而有減小趨勢，這點從流速的分布圖中也可以反映 出。導管長度和直徑分別取45 mill和35 mill時，噴 嘴出口流速最大。 6結語 CFdesign提供了強大的計算功能和后處理能力， 從而更直觀地了解噴嘴上游流場詳盡的流動行為。通 過霧化噴嘴上游流場的數(shù)值模擬分析和討論，得出以 下結論： 1)根據(jù)流速梯度分布分析，噴嘴人口的速度變化 率隨導管與噴嘴直徑比增大而增大。 2)流體流跡線分布顯示噴嘴人口的形狀影響噴 嘴速度。結構設計時可以設計成圓錐收縮型0|，以減 小流動阻力，提高噴嘴出口流速。 3)導管長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，設計時應統(tǒng)籌兼顧，找出最合理 的結構參數(shù)。 參考文獻(References)： 1】 田春霞。仇性啟，催運靜噴嘴霧化技術進展J工業(yè)加熱，2005， 34(4)：4043 2 劉耀林，張舜德，李華噴霧器噴嘴流場仿真研究J】輕工機械， 2008，26(1)：20-23 3SPANN J，HORGAN SThe evolution of pump design simulation JWorld Pumps，2006480：32-35 4DOUGLAS FLiquid dispensingpump：US，4618077P198610 21 5】BOYSAN F，AYERS W H，SWITHENBANK J，et a1Three dimen sional model of spray combustion i“gas turbine eombustorsJJour- naI of Energy，1982，6(6)：368-375 6】傅德薰，馬廷文計算流體力學M北京：高等教育出版社， 2002 7】 李人憲有限體積法基礎M2版北京：國防工業(yè)出版社， 2008 EsJAMAL SFluid flow handbookMIChicago：McGrawHill Profes sional，2002 9】 張海燕，商允振，賀艷玲凹版印刷機干燥系統(tǒng)的研究J輕工機 械，2009，27(4)：31-35 10 范明豪劉英衛(wèi)，周華，等直射式高壓噴嘴霧化分析J中國機 械工程，2005，16(19)：17691772 萬方數(shù)據(jù) 基于CFdesign的霧化噴嘴上游流場數(shù)值模擬研究 作者： 董星濤， 林垂真， 柳維均， DONG Xing-tao， LIN Chui-zhen， LIU Wei-Jun 作者單位： 浙江工業(yè)大學,特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室,浙江,杭州,310014 刊名： 輕工機械 英文刊名： LIGHT INDUSTRY MACHINERY 年，卷(期)： 2010,28(5) 參考文獻(10條) 1.張海燕;商允振;賀艷玲 凹版印刷機干燥系統(tǒng)的研究期刊論文-輕工機械 2009(04) 2.JAMAL S Fluid flow handbook 2002 3.李人憲 有限體積法基礎 2008 4.傅德薰;馬延文 計算流體力學 2002 5.BOYSAN F;AYERS W H;SWITHENBANK J Three dimensional model of spray combustion in gas turbine combustors外文期刊 1982(06) 6.DOUGLAS F Liquid dispensing pump 1986 7.SPANN J;HORGAN S The evolution of pump design simulation 2006 8.范明豪;劉英衛(wèi);周華 直射式高壓噴嘴霧化分析期刊論文-中國機械工程 2005(19) 9.劉耀林;張舜德;李華 噴霧器噴嘴流場仿真研究期刊論文-輕工機械 2008(01) 10.田春霞;仇性啟;催運靜 噴嘴霧化技術進展期刊論文-工業(yè)加熱 2005(04) 本文鏈接：http:/