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基于ICEM和FLUENT的喷嘴非淹没射流模拟主要内容•射流及VOF模型介绍•数学模型说明•ICEM网格划分•FLUENT求解过程及结果射流射流是流体运动的一种重要类型，射流的研究涉及到许多领域，如热力学、航空航天学、气象学、环境学、燃烧学、航空声学等。在机械制造与加工的过程中，就经常利用压缩空气喷枪喷射出高速射流进行除尘、除水、冷却、雾化、剥离、引射等。在工业生产中，改善气枪喷嘴的设计，提高气枪的工作效率对于节约能源具有重大的意义。一股速度很大的流动射入周围流体时所形成的流动，称之为射流。而按照射流周围介质的性质，射流又可以分为淹没射流和非淹没射流。若射流介质与周围介质相同则称为淹没射流，若不同则称为非淹没射流。淹没射流因为周围介质为同一种介质，故而射流的能量很快就传递到了周围介质中，这也就决定了淹没射流在出口处有一个短暂的加速之后速度会很快降低。而非淹没射流如水射人空气中，因空气对水的阻力较小，故而轴线上的速度减弱较慢。VOF模型VOF模型（VolumeofFluid）通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的容积比来模拟两种或三种不能混合的流体。典型的应用包括流体喷射、流体中大泡运动、流体在大坝坝口的流动、气液界面的稳态和瞬态处理等。它的限制是必须使用分离求解器，只有一种物相可以是可压缩流体，不能计算流动方向的周期性流动、组元混合与反应流动和无粘流动，不能与大涡模拟（LES）同时进行计算，不能采用二阶隐式时间推进格式，不能使用壁面的薄壳传导模型。喷嘴射流流动的数学模型——连续性方程本次模拟主要针对非淹没射流下喷嘴的流动过程。由于喷嘴流动属于自由射流，因此首先从黏性运动的基本方程出发，得出湍流射流的基本方程。描述流体运动的基本方程有连续性方程和运动方程。不可压缩流体的连续性方程在空间直角坐标系中的表达式为：𝜕𝜐𝑥𝜕𝑥+𝜕𝜐𝑦𝜕𝑦+𝜕𝜐𝑧𝜕𝑧=0喷嘴射流流动的数学模型——N-S方程而描述黏性流体运动的运动方程式是Navier-Stokes方程，简称N-S方程。对不可压缩黏性流体的N-S方程，其在空间直角坐标系中的表达式为：𝑋−1𝜌∙𝜕𝑝𝜕𝑥+𝜂𝜕2𝜐𝑥𝜕𝑥2+𝜕2𝜐𝑥𝜕𝑦2+𝜕2𝜐𝑥𝜕𝑧2=𝑑𝜐𝑥𝑑𝑡𝑌−1𝜌∙𝜕𝑝𝜕𝑦+𝜂𝜕2𝜐𝑦𝜕𝑥2+𝜕2𝜐𝑦𝜕𝑦2+𝜕2𝜐𝑦𝜕𝑧2=𝑑𝜐𝑦𝑑𝑡𝑍−1𝜌∙𝜕𝑝𝜕𝑧+𝜂𝜕2𝜐𝑧𝜕𝑥2+𝜕2𝜐𝑧𝜕𝑦2+𝜕2𝜐𝑧𝜕𝑧2=𝑑𝜐𝑧𝑑𝑡上述的N-S方程以及连续性方程原则上就可以求得不可压缩黏性流体流场的解。但由于N-S方程中出现了速度的二阶导数，它的普遍解在数学上还有困难，只对某些特殊情况使方程得到充分简化，才能求出近似解。喷嘴射流流动的数学模型——𝑘−𝜀方程由于射流流场处于高湍流状态，因此采用了标准的𝑘−𝜀方程模型。标准𝑘−𝜀模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能和扩散率。𝑘方程是个精确方程，𝜀方程是个由半经验公式导出的方程。在关于湍动能𝑘方程的基础上，再引入一个关于湍动耗散率𝜀的方程，便形成了𝑘−𝜀两方程模型，即为标准𝑘−𝜀模型。该模型由Launder和Spalding于1972年提出。在模型中，湍动能𝑘的输运方程可写为：𝜕(𝜌𝑘)𝜕𝑡+𝜕(𝜌𝑘𝑢𝑖)𝜕𝑥𝑖=𝜕𝜕𝑥𝑗𝜇+𝜇𝑡𝜎𝑘𝜕𝑘𝜕𝑥𝑗+𝜇𝑡𝜕𝑢𝑖𝜕𝑥𝑗+𝜕𝑢𝑗𝜕𝑥𝑖𝜕𝑢𝑖𝜕𝑥𝑗−𝜌𝐶𝐷𝑘3/2𝑙从左至右，方程中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项、产生项、耗散项。由Kolmogorov-Prandtl表达式，有：𝜇𝑡=𝜌𝐶𝜇𝑘𝑙其中，𝜎𝑘，𝐶𝐷和𝐶𝜇为经验常数，多数文献建议𝜎𝑘=1，𝐶𝜇=0.09，而𝐶𝐷取值在不同文献中结果不同，从0.08到0.38不等。喷嘴射流流动的数学模型——𝑘−𝜀方程而表示湍动耗散率的𝜀被定义为：𝜀=𝜇𝜌(𝜕𝑢𝑖′𝜕𝑥𝑘)(𝜕𝑢𝑖′𝜕𝑥𝑘)湍动粘度𝜇𝑡可表示成𝑘和𝜀的函数，即：𝜇𝑡=𝜌𝐶𝜇𝑘2𝜀其中，𝐶𝜇为经验常数。喷嘴射流流动的数学模型——𝑘−𝜀方程在标准的𝑘−𝜀模型中，𝑘和𝜀是两个基本位置量，与之相对应的输运方程为：𝜕(𝜌𝑘)𝜕𝑡+𝜕(𝜌𝑘𝑢𝑖)𝜕𝑥𝑖=𝜕𝜕𝑥𝑗𝜇+𝜇𝑡𝜎𝑘𝜕𝑘𝜕𝑥𝑗+𝐺𝑘+𝐺𝑏−𝜌𝜀−𝑌𝑀+𝑆𝑘𝜕(𝜌𝜀)𝜕𝑡+𝜕(𝜌𝜀𝑢𝑖)𝜕𝑥𝑖=𝜕𝜕𝑥𝑗𝜇+𝜇𝑡𝜎𝜀𝜕𝜀𝜕𝑥𝑗+𝐶1𝜀𝜀𝑘𝐺𝑘+𝐶3𝜀𝐺𝑏−𝐶2𝜀𝜌𝜀2𝑘+𝑆𝜀其中，𝐺𝑘是由于平均速度梯度引起的湍动能𝑘的产生项，𝐺𝑏是由于浮力引起的湍动能𝑘的产生项，𝑌𝑀代表可压湍流中脉动扩张的贡献，𝐶1𝜀、𝐶2𝜀和𝐶3𝜀为经验常数，𝜎𝑘和𝜎𝜀分别是与湍动能𝑘和耗散率𝜀对应的Prandtl数，𝑆𝑘和𝑆𝜀是用户定义的源项。ICEM结构网格划分（关于结构网格与非结构网格的说明）ICEM结构网格划分本次模拟采用ICEMCFD对模型进行结构网格划分，网格质量较高。模型主要参数如下：喷嘴进口直径：4.5mm，喷嘴出口直径1mm，具体模型参数将在报告中给出。网格质量检查结果利用Determinent2x2x2标准进行检查的结果，显示网格质量非常好。采用Angle标准进行检查的结果，也显示网格质量良好。局部网格放大图喷嘴进口，边界层进行了加密。局部网格放大图喷嘴出口口，出口处进行了加密。局部网格放大图喷嘴整体网格划分Fluent模拟过程.导入网格并检查质量.时间类型及对称设置.设置VOF多相流模型.选取湍流模型.调取水并进行两相流设置.运行工况条件设置.边界条件设置（包括进口边和出口边）.求解方法设置.松弛因子设置.残差图设置.计算初始化.动画设置.设置时间步长.计算及结果展示网格导入及网格质量报告设置time类型为Transient,计算区域类型为二维对称型VOF模型设置湍流模型设置调入水并进行两相设置运行工况设置进口边出口边求解方法保持默认松弛因子保持默认设置残差图初始化，注意watervolumefraction设置为0，表明初始时环境中全部是空气动画设置设置时间步长计算结果展示（进口速度为10m/s时速度云图）进口速度为10m/s时速度云图（时间较长）进口速度为10m/s时速度云图（动态图）计算结果展示（进口速度为10m/s时涡量云图）进口速度为10m/s时残差图计算结果展示（进口速度为100m/s时）速度云图反思及拓展1.问题的几何模型建立还有些问题，总结来说就是太长太宽，不仅浪费计算机内存，更会影响结果的准确性。2.本次模拟中对于时间步长及库朗数的设置还存在一些问题，有待深入学习探讨。3.后处理仍然不足。4.可以通过改变重力加速度的设置及其他参数进行喷泉模拟。5.水的射流速度可以再加大，在亚音速和超音速情况下进行模拟，但数学模型及其他参数可以修改。主要参考文献•王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用•周文会.高压水射流喷嘴内外部流场的数值模拟研究（硕士学位论文）•张振，章巧芳.高压喷嘴的射流仿真研究(期刊论文)•纪兵兵，陈金瓶.ANSYSICEMCFD网格划分技术实例详解谢谢！