壁面粗糙度對臨界流音速噴嘴流動特性的影響.pdf

1、臨界流文丘里噴嘴,簡稱音速噴嘴,可直接用于流量測量,同時也是氣體流量中常用的傳遞標(biāo)準(zhǔn),因為具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、維護(hù)保養(yǎng)簡單、流量特性穩(wěn)定、工作范圍寬等優(yōu)點(diǎn)而在石油化工、航天航空以及環(huán)保節(jié)能等許多領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。
　　近年來,隨著對音速噴嘴的研究不斷加深,為進(jìn)一步提高噴嘴的計量精度,作為噴嘴重要參數(shù)的流出系數(shù)研究也不斷深入。鑒于音速噴嘴在小流量測量方面的巨大優(yōu)勢,小噴嘴流出系數(shù)特性研究領(lǐng)域十分活躍。噴嘴喉徑變小后,粗糙度對噴

2、嘴流動的影響勢必會變大。同時,音速噴嘴越來越多的應(yīng)用于超高壓的氣體流量的測量。這樣,噴嘴的喉部雷諾數(shù)Re經(jīng)常會大于107,噴嘴壁面粗糙度對流出系數(shù)的影響應(yīng)該深入研究。ISO9300標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程中分別采用相對粗糙度與絕對粗糙度將噴嘴分為普通加工與精加工,分別給出了相應(yīng)的流出系數(shù)計算公式。然而規(guī)程中并沒有提及粗糙度對噴嘴流出系數(shù)的影響規(guī)律,而且給出的兩個流出系數(shù)計算公式在低雷諾數(shù)區(qū)流出系數(shù)曲線存在交叉也存在一定的問題。目前針對于壁面粗糙度對音速

3、噴嘴的流出系數(shù)研究近乎空白,隨著噴嘴流出系數(shù)研究的不斷深入,壁面粗糙度的影響應(yīng)該細(xì)致的研究。因此,為系統(tǒng)研究粗糙度對音速噴嘴流出系數(shù)的影響,本文首先根據(jù)ISO9300標(biāo)準(zhǔn)建立喉部直徑為0.5 mm~100 mm的噴嘴模型,利用標(biāo)準(zhǔn)k-eps ilo n模型求解噴嘴的湍流核心區(qū)及壁面函數(shù)法來求解噴嘴的近壁區(qū)。利用實(shí)驗數(shù)據(jù)和規(guī)程的流出系數(shù)曲線來驗證模型的正確有效性。接著從邊界層速度分布、喉部核心區(qū)及邊界層厚度等角度分析了粗糙度對噴嘴流場影響

4、的基本規(guī)律。然后在雷諾數(shù)于105-1010區(qū)間內(nèi),利用單一理想空氣研究在不同粗糙度下的流出系數(shù)變化,從理論及數(shù)值計算的角度分析了流出系數(shù)受相對粗糙度影響變化規(guī)律。由于邊界層受到多維流動影響,而多維流動與氣體等熵指數(shù)及噴嘴曲率有關(guān)，本文研究了粗糙度對具有相同等熵指數(shù)的不同理想氣體及不同等熵指數(shù)理想氣體流出系數(shù)的影響，分析了不同等熵指數(shù)及噴嘴曲率的影響規(guī)律。為了分析真實(shí)氣體物性，本文還提出一種基于逐步回歸的智能算法，用于計算真實(shí)氣體物性經(jīng)驗