微喷嘴射流截面能量密度和信息熵
发布时间：2020-10-25 00:22
静电消除器微喷嘴出气量的多少和空气速度,直接决定其一次电离出的正负离子数量和运送离子的能力,从而决定了其除静电的能力。因为微喷嘴出气口间隙只有几十微米,因此用粒子图像测速法研究其工作流场,存在着很大堵塞的风险。在此通过数值仿真方法对微喷嘴工作流场进行了分析,利用射流截面能量密度和信息熵对微喷嘴的射流截面进行了能量均匀性的定量分析研究,并发现微喷嘴出气间隙对空气动能密度分布和信息熵影响明显;小间隙喷嘴更聚能,但能量损失也更大,为后续进一步设计和优化微喷嘴性能提供了可靠的定量评估指标。
【部分图文】：
静电消除器的喷嘴需要具有加速空气运送离子的功能,为此借鉴著名的拉瓦尔喷嘴进行设计优化。如图1为静电消除器微喷嘴剖面示意图,最小出气口在图中下部电极针和外壳配合间隙最小部位,为圆环状。拉瓦尔喷管是火箭发动机和航空发动机最常用的构件,由2个锥形管构成,喷管的前半部是由大变小向中间收缩至喷管喉部,称为收缩管,喉部之后又由小变大向外扩张,称为扩张管。拉瓦尔喷管的结构示意图,如图2所示,其原理为空气经过喷管向后运动,进入喷管截面A1。在这一阶段,空气运动遵循“流体在管中运动时,截面小处流速大,截面大处流速小”的原理,气流不断加速。当到达窄喉时,流速已经超过了音速。而跨音速的流体在运动时却不再遵循“截面小处流速大,截面大处流速小”的原理,而是恰恰相反,截面越大,流速越快。在截面A2,空气速度被进一步加速,能达到超音速。拉瓦尔喷管实际上起到“流速增大器”的作用[8-9]。图2 拉瓦尔喷管的结构示意图
图1 微喷嘴剖面示意图微喷嘴因最小出气口为环带状,宽度在几十微米到几百微米,因此实际上气体在出气口之前速度已基本降为0,在此积蓄了很高的压力,通过最小口径处将立即膨胀加速。在微型喷嘴整个流道中,在最小口径处能量损失达到最大。微喷嘴的能量损失与其材质、内壁表面质量、内腔型线等有着极大的关系。因本课题主要研究空气通过微喷嘴后,在外部流场的特性,因此对内流场不做过多说明。微喷嘴外部射流直接作用于工件,射流的均匀性,速度等都与作用效果有着密切的联系,因此对外流场进行深入的研究具有重要的意义。
考虑喷嘴的实际工况和紊流射流结构等基本因素,又因主要进行外部射流研究,故对实际研究模型进行了合理简化。根据前人研究文献,射流结构一般分为初始段、过渡段和主体段。根据经验公式,并考虑到射流的充分发展和膨胀,整个射流长度按照40倍出气间隙外圆环直径d来估算,取射流总研究高度为45d,故建立微喷嘴的流场模型如图3所示。流场数值计算采用ANSYS 软件CFX模块,采用纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes)方程和标准k-ε模型。采用非滑移和绝热壁面,工作介质为理想气体。网格划分是采用结构性网格,壁面率Y+控制在10以内,并对网格的独立性进行了验证。在对微喷嘴流场模型进行了网格设置后,计算得到微喷嘴流场网格模型如图4所示。考虑到模型尺寸在整个范围内相差较大,故在模型最小出气口处采用密度盒进行网格加密处理,如图5所示网格局部加密。本课题共建立3种不同出气间隙的喷嘴模型,分别为:1#微喷嘴出气单边间隙0.083 mm,2#微喷嘴出气单边间隙0.203 mm,3#微喷嘴出气单边间隙0.503 mm。由于喷嘴出气最小间隙只有几十微米,故现有设备难以进行射流形态的模拟和准确测量,故利用有限元仿真软件对喷嘴流场进行仿真,提取数据,进行射流截面能量分布的定量分析研究。
【相似文献】
本文编号：2855178
【部分图文】：
静电消除器的喷嘴需要具有加速空气运送离子的功能,为此借鉴著名的拉瓦尔喷嘴进行设计优化。如图1为静电消除器微喷嘴剖面示意图,最小出气口在图中下部电极针和外壳配合间隙最小部位,为圆环状。拉瓦尔喷管是火箭发动机和航空发动机最常用的构件,由2个锥形管构成,喷管的前半部是由大变小向中间收缩至喷管喉部,称为收缩管,喉部之后又由小变大向外扩张,称为扩张管。拉瓦尔喷管的结构示意图,如图2所示,其原理为空气经过喷管向后运动,进入喷管截面A1。在这一阶段,空气运动遵循“流体在管中运动时,截面小处流速大,截面大处流速小”的原理,气流不断加速。当到达窄喉时,流速已经超过了音速。而跨音速的流体在运动时却不再遵循“截面小处流速大,截面大处流速小”的原理,而是恰恰相反,截面越大,流速越快。在截面A2,空气速度被进一步加速,能达到超音速。拉瓦尔喷管实际上起到“流速增大器”的作用[8-9]。图2 拉瓦尔喷管的结构示意图
图1 微喷嘴剖面示意图微喷嘴因最小出气口为环带状,宽度在几十微米到几百微米,因此实际上气体在出气口之前速度已基本降为0,在此积蓄了很高的压力,通过最小口径处将立即膨胀加速。在微型喷嘴整个流道中,在最小口径处能量损失达到最大。微喷嘴的能量损失与其材质、内壁表面质量、内腔型线等有着极大的关系。因本课题主要研究空气通过微喷嘴后,在外部流场的特性,因此对内流场不做过多说明。微喷嘴外部射流直接作用于工件,射流的均匀性,速度等都与作用效果有着密切的联系,因此对外流场进行深入的研究具有重要的意义。
考虑喷嘴的实际工况和紊流射流结构等基本因素,又因主要进行外部射流研究,故对实际研究模型进行了合理简化。根据前人研究文献,射流结构一般分为初始段、过渡段和主体段。根据经验公式,并考虑到射流的充分发展和膨胀,整个射流长度按照40倍出气间隙外圆环直径d来估算,取射流总研究高度为45d,故建立微喷嘴的流场模型如图3所示。流场数值计算采用ANSYS 软件CFX模块,采用纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes)方程和标准k-ε模型。采用非滑移和绝热壁面,工作介质为理想气体。网格划分是采用结构性网格,壁面率Y+控制在10以内,并对网格的独立性进行了验证。在对微喷嘴流场模型进行了网格设置后,计算得到微喷嘴流场网格模型如图4所示。考虑到模型尺寸在整个范围内相差较大,故在模型最小出气口处采用密度盒进行网格加密处理,如图5所示网格局部加密。本课题共建立3种不同出气间隙的喷嘴模型,分别为:1#微喷嘴出气单边间隙0.083 mm,2#微喷嘴出气单边间隙0.203 mm,3#微喷嘴出气单边间隙0.503 mm。由于喷嘴出气最小间隙只有几十微米,故现有设备难以进行射流形态的模拟和准确测量,故利用有限元仿真软件对喷嘴流场进行仿真,提取数据,进行射流截面能量分布的定量分析研究。
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