射流泵内部构件的新型式摹拟剖析

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1、射流泵内部构件的新型式摹拟剖析1控制方程弱可压缩流动控制方程组由可压缩连续方程和动量方程导出。该模型能对非定常流动进行模拟且具有相当快的计算速度。对于弱可压缩流动，其连续方程和动量方程为pt+Ku=O(1)ut+uu+p-2u=0(2)式中：K=a2.在湍流运动中，各种流动的特征量均随时间和空间坐标而呈现随机的脉动，是三维的有涡流动而且伴随着涡的强烈脉动。通过三维涡量场中旋涡的拉伸和变形，形成湍流中各种不同尺度的旋涡。而这些不同尺度的旋涡在湍流运动中起着不同的作用。大尺度旋涡从时均流动中取得能量,能量由大尺度旋涡向小尺度旋涡

2、逐级传递，并最后在小尺度旋涡中，通过流体的粘性将能量耗散。大涡模拟克服了湍流模式理论的时均处理和普适性方面存在的缺陷。其基本思想是：首先，把包括脉动在内的湍流瞬时运动通过某种滤波方法分解成大尺度运动和小尺度运动两部分，大尺度量要通过数值求解运动微分方程直接计算出来，小尺度运动对大尺度运动的影响通过建立亚格子模型来模拟(叫作次网格尺度模拟，SubgridScale,简称为SGS),这样就大大减少了计算工作量和对内存的需求。大涡模拟中对控制方程采取某种滤波处理，使得方程计算大涡时是精确的，而小涡的影响则以某种需要模拟的项岀现。由

3、于只需要模拟更小的涡，所以精度比雷诺平均方法要高。滤波的过程类似于对NS方程的时间平均，但滤波是对控制方程在空间上的处理，所以也可称为空间平均。空间平均与时间平均在本质上是不同的，即便是统计定常的流动，滤波后的流动参数也不是常数，它仍然包含大涡的脉动。关于滤波方法目前有很多，其中高斯型滤波函数在实际应用中比较简洁。对于湍流流动，我们用湍流涡粘性系数t来考虑在旋涡扩散中无法求解的湍流流动的影响。计算t最简单的模型是设定它为常数，该模型一般用于研究稳定流动。本文采用基于各向同性涡粘性假设的计算模型。设计算域内小网格上的切应力为i

4、j=-2tSij(3)t=CS!22SijSijl2(4)Sij=12uixj+ujxi(5)式中：cs为子涡扩散系数；为子网格的尺度；Sij为网格平均应变率。上述模型是由Smagorinsky于1963年首先提出的。该模型将湍流粘性系数t与网格尺度及流体微团的应变率Sij联系起来。式中的常数系数CS目前还没有适用于各种情况的通用值。对于二维湍流流动，Smagorinsky建议取CS=0・4.根据式（4）可以分析，不同的CS值实际上反映了紊动场从时均场中提取能量的多少，显然较大的CS值说明紊动场所提取的能量多，因而流体沿程流

5、动的扩散就快些，反之则慢些。总之，CS值的选取需要反复试验和比较。!的计算公式为！=2Vi+Vi+1212（6）式中：Vi和Vi+1为相邻网格的体积。大涡模拟法有其独特的优点，但将其应用于实际三维湍流流动却存在极大的困难。例如，通用的小涡模型需要十分密集的网格节点,进而对计算机的存储能力要求很高；求解非线性偏微分方程要处理大量数据，需要计算机具有高速数值处理的能力等。若将三维大涡模拟简化成实用的二维形式，就既利用了大涡模拟原有的优点，又可在通常的计算条件下（例如PC机）用于实际湍流运动的数值预测。文献的研究成果表明大涡模拟的

6、二维形式是可行的。将控制方程在弱可压缩流动计算域中过滤，表示相邻网格的面积；C是比例常数（Smagorinsky常数）・2数值模拟计算2.1生成计算网格网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要影响。对于复杂边界的CFD问题，网格生成极为耗时，月•极容易出错，生成网格所需时间常常大于计算时间。我们利用FLUENT软件的网格划分技术很容易地解决了本文的计算问题。具体做法是：首先在FLUENT的GAMBIT环境中，生成射流泵的几何模型，然后利用GAMBIT的强大功能进行网格划分,单划分之前需要用户输入一些生成网格所需的相关参数。这

7、里假定几何模型已装载到GAMBIT显示区，从对话框可以看到，在划分2D网格时,需要指定4组参数：facees,scheme,spacing和options.在scheme中我们选择map,它使用指定的网格单元创造规则有序的结构网格；在spacing我们用IntervalCount指定边界上分点吋使用的间隔数。最后射流泵流场的计算网格(局部)如图1所示。文中为了显不清楚，选用较为稀疏的网格(60124-6012)•显不了射流泵的求解区域。2.2初始及边界条件当计算开始时，给定射流泵的工作水流、吸入水流和岀口压力均为同一数值，这

8、显然不是一个正常的运行工况。开始计算后，随着时间的增加，工作水流压力逐渐增大，吸入水流压力逐渐减小，甚至可能成为负值，而出口压力基本保持不变，这时的水流为非定常流动。经过一段时间后，工作水流压力不再增大，并维持在某一数值。射流泵内的水流流动会逐步趋于定常，最终稳定在某一工况。这时计算将收敛