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化学激光器环形与线形分流管道对比的数值分析8
文章来源:本站收集  上传时间:2018-7-20  点击人气:749

  

  国防科技大学学报化学激光器环形与线形分流管道比照的数值剖析8靳冬欢,刘文广,陈星,陆启生,赵伊君(国防科技大学光电科学与工程学院,湖南长沙上,结构与线形分流管道有较大不同。运用核算流体力学办法,对上述各分流管道进行了三维的数值模仿及比照剖析。成果表明,线形分流管道总管内的总压高于支管散布在外侧圆弧上的环形管道,但低于支管散布在内侧圆弧上的环形管道;无论是支管分流,抑或环形管道内的二次流现象都会使总管截面上发生径向速度,使得流体活动出现显着的三维特征;分流管道各支管流量沿干流活动方向基本上是上升的,这与总管的总压散布趋势相反,而与总管的静压散布趋势类似;比较而言,支管散布在外侧圆弧上的环形分流管道的支管流量动摇起伏最小,在均匀分配气流方面最具优势,线形分流管道居中,支管散布在内侧圆弧上的环形分流管道最在化工、石油、通风供热、水利喷灌等工程中,往往需要一种均匀分配气体或液体的设备一分流管道,它由一根总管和与总管的侧面衔接的若干结构相同的支管组成。接连波化学激光器中也很多运用了分流管道,如焚烧室喷注器、副喷管阵列、气幕喷管的供气管道等都存在着多级分流管道结构1一般的化学激光器运用的是线形分流管道,而环柱型化学激光器因为选用了环形喷管阵列及圆柱型焚烧室131,与之配套的供气管道就是环形分流管道。环形分流管道与线形分流管道的一个显着区别在于总管的形状及支管的喷发方向。气流分配的均匀程度是分流管道的首要技能指标,在化学激光器中,它直接关系到气流的混合功率19:靳冬欢1981,男,博士生°及焚烧的安稳性、光腔区光束质量、气幕的保护作用等。国内关于分流管道的研讨多运用一维理论模型或。

  1核算模型及剖析办法表1核算模型的鸿沟条件设置鸿沟称号详细设置Inlet1~Inlet2压力进口,总压303975ba总温300KWall润滑、钢质壁面,恒温300KSymmetry对称鸿沟,法向速度分量及一切变量的法向梯度为零Outlet1~Outlet18压力出口总管截面的均匀静压及总压的沿程散布活动管道内活动、鸿沟层活动'-以及带有别离的pbppe各分流管道都是由1个总管和18个支管组成,依据管道结构的对称性,提取出各分流管道的三维核算模型如所示。(a)线形分流管道:总管为圆形截面的直管,直径为5mm长度为95mm,支管为“喇叭形”喷注孔,喉道直径为0.5mm,扩张段半角为15,孔间隔为5mm;(b)环形分流管道I:总管为圆形截面的弯管,截面直径为5mm,旋转半径80mm,转角68.04,轴线弧长为95,支管散布在环形管道的外侧圆弧上,结构参数与线形分流管道相同;(c)环形分流管道:与环形分流管道I的不同之处在于支管散布在总管内侧圆弧上。环形分流管道I首要用做环柱型激光器的副气流供气管道;环形分流管道首要用做焚烧室注入气流的供气管道。

  分流管道核算模型网格区分过程中利用了体分解技能将整个模型分红多个互连的几何体每个几何体选用Cooper技能生成非结构化体网格,网格单元总数100万左右;作业介质选用单一组分N2,视为可压缩的理想气体介质的粘性系数及导热系数皆选用分子动力学理论进行核算其中的分子间作用力模型运用的是Lennard―ones(6,12)势。粘性模型运用Realizablek-e两方程湍流模型,该模型已被有效地用于各种不同类型的活动模仿,包括旋转均匀剪切流、包括有射流和混合流的自在2核算成果及评论模型假定气流活动过程中各物理量均与时刻无关,即为定常活动,这与管道的安稳作业状况是相符的,此刻总管内为亚音速流,均匀马赫数Ma<0.05,支管内大部分为超音速流。三维模仿成果首要给出了双端供气办法、恒温壁面条件下,总管截面均匀压力的沿程散布、速度矢量及支管出口流量散布等。

  给出了总管截面的均匀静压及总压的沿程散布。对线形管道来说,该截面是指平行于进口平面Inlet1或Inlet2的一组等距平面,间隔为5mm;关于环形管道来说,该截面是指进口平面Inlet1或Inlet2绕环形管道的反转中心旋转得到的一组角间隔持平的平面,角间隔为3.58°。的横坐标表示各平面与Inlet1的间隔,关于环形管道来说,这个间隔指截面角间隔对应的总管轴线上的弧长,和线形管道的各截面间隔一样,也为总压沿流向逐步下降,散布趋势与的核算成果共同。静压沿流向则逐步升高,这阐明气流进入总管以内后,速度不断减慢,动压转换为静压,使得静压升高,即静压改动由动量交流所决议,这种状况称之为“动量交流操控模型”171.在总管中部,气流速度接近于零,静压和总压简直持平。比照来看,线形分流管道总管内的总压高于环形分流管道I,但低于环形分流管道。这是因为不管是线形管道,仍是环形管道,有支管散布的一侧,因气流分流而使活动鸿沟层被周期性损坏,鸿沟层未能充分开展,发生的摩擦阻力较小14;而另一侧鸿沟层厚度显着大于有支管散布的一侧,是摩擦阻力的首要作用区域。气流在环形管道内活动时,遭到离心力的作用,为了保持运动的平衡,则外侧压强必须大于内侧的压强,这也造成了管道外壁鸿沟层变薄,内壁鸿沟层变厚,鸿沟层出现非对称状况19.关于环形分流管道I来说,管道外壁鸿沟层变薄效应被支管分流损坏,内壁鸿沟层变厚效应使得总的摩擦阻力超过了线形分流管道,总压丢失增大;关于环形分流管道来说,管道内壁鸿沟层变厚效应被支管分流损坏,而外壁鸿沟层变薄效应使得总的摩擦阻力小于线形分流管道,总压丢失减小。从的总管对称面上的速度云图能够看出速度鸿沟层的散布,成果与上述剖析共同。中速度大于20m/s支管区域统一着色为白色,并依据两头供气的对称性,只显示了总管长度的一半区域。

  气流在总管内首要沿总管轴线方向活动,但总管对称面上的速度云图分流管道的支管一般衔接在总管侧面,在支管分流的作用下,气流需要转弯才干进入支管,这就会在总管截面上发生径向速度,使得流体活动出现显着的三维特征。给出了间隔进口平面Inletl 225mm的总管截面上的速度矢量图,(a)、(b)中,支管散布在截面左边;(c)中,支管散布在截面右侧。从图中能够看出,总管截面气流总体上是向有支管散布的一侧活动,再加上轴向速度的状况下,能够幻想气流在总管内的流线是螺旋式的,即发生了涡结构。这种状况在环形分流管道I中特别显着,在总管内外侧压差的作用下,气流沿壁面由外壁向内壁活动,为了保证截面上的质量守恒,在内壁的气流则由中心区域向外壁活动,从而在整个截面上构成两个旋转方向相反的旋涡,即迪恩(Dean)涡,这就是曲折管道中的二次流现象9,如(b)所示。

  总管截面上的速度矢量图道1总管内的内外侧压差发生的二次流方向与支支管出口潘,管内已达到超音速活动经过引入涡量的界说进一步阐明涡结构的开展。涡量界说为速度矢量的旋度,能够理解为流体微团绕其中心作刚性旋转的角速度之两倍101.从所示的涡量图中能够看出,随着气流由总管进口向下流活动,旋涡会逐步因为粘性作用被耗散。环形分流管道I总管内的内外侧压差发生的二次流方向与支管分流发生的旋流方向相同,二者叠加使得总旋涡强度有所提高;环形分流管管分流发生的旋流方向相反,二者叠加使得总旋涡强度有所下降。

  分流管道的首要作用是均匀分配各支管气流。给出了分流管道的各支管气流的流量散布。从中能够看出,分流管道各支管流量沿总管流向基本上是上升的。从、比照来看,支管流量散布与总管的静压散布趋势类似,而与总管的总压散布趋势相反。分流管道模型中,总管截面上的涡量均匀值曲线状况,此刻喷管质量流量与气流总压成正比。而总管内的动压首要是沿总管轴线方向的,支管轴线与总管轴线笔直,那么支管进口处的总压取相应方位处总管的静压,就显得更合理一些。总管静压高的方位,支管进口总压也高,相应的喷管质量流量也大一些。别的,气流在环形管道I内活动时发生的离心力方向与支管活动方向相同,对支管活动有促进作用,总管进口邻近,气流速度快,发生的离心力大,这种促进作用就显着一些;气流在环形管道n内活动时发生的离心力方向与支管活动方向相反,对支管活动有阻止作用,这种阻止作用也在总管进口邻近更为显着一些。这就造成了接近总管两头的支管,环形分流管道I的流量比线形分流管道大,环形分流管道n比线形分流管道小。从中还可知,接近总管中心方位处,总管内气流速度慢,离心力作用不显着,且环形分流管道n的总管静压比线形分流管道高,但环形分流管道n相应方位处的支管流量却比线形分流管道低。这是因为二者支管的鸿沟层厚度不一样,环形分流管道n支管的鸿沟层相对线形支管出口流量散布分流管道厚一些。在分流管道的对称面(中的Symmetry)上,环形分流管道I的支管进口处的尖角结构为钝角,环形分流管道n的为锐角,而线形分流管道的则为直角。三者比较而言,环形分流管道I的支管进口处最为自然,气流由总管进入支管最为顺利,支管鸿沟层相对较薄,线形分流管道居中,环形管道n支管鸿沟层则相对较厚。

  为了更好地阐明各分流管道质量流量的改动,界说流量改动起伏a为各分流管道的流量改动起伏列于表2.环形分流管道I静压动摇起伏小,离心力又促进了总管进口处的支管活动,因而流量动摇起伏最小,在均匀分配气流方面最具优势;线形分流管道基本无离心力作用,静压动摇直接决议了流量动摇,流量动摇起伏居中;环形分流管道n静压动摇起伏大,离心力阻止了总管进口处的支管活动,导致流量动摇起伏最大。

  表2流量动摇起伏分流管道类型线形分流管道环形分流管道I环形分流管道n别的,从表2中能够看出,各供气管道的流量动摇起伏均小于0.5%,首要有两个原因:其一是管道结构的规划,有一个参数能够阐明这一点,即分流管道的支管总的截面积与总管截面积之比,该值越小,流场均匀程度越高111,本文取值0.18;其二是供气办法的选择相关于单端供气办法,本文中选用的双端供气意味着每个进口只对一半的支管供气,相当于将各分流管道的支管总的截面积与总管截面积之比降为本来的一半,在本文中该值变为0.09,这就有效地减小分流管道总管压力和支管流量的动摇。

  3结论分流管道在化学激光器供应体系中是不可或缺的气体分配设备,管道结构的改动对气流的活动状况及分配的均匀性等都会发生较大的影响。

  本文运用核算流体力学办法,对一般化学激光器中运用的线形分流管道及环柱型激光器中运用的两种环形分流管道进行了三维的数值模仿及比照剖析。分流管道的总管直接为支管供气,是支管的上游管道。受晒擦阻力作甲,总管总压沿流向逐步下降。有支管散布的一侧,气体分流使得活动鸿沟层未能充分开展,而气流在环形管道内活动时,总管的内外侧压差会导致外壁鸿沟层变薄、内壁鸿沟层变厚效应。在二者的归纳作用下,线形分流管道总管内的总压高于环形分流管道I,但低于环形分流管道。无论是支管分流抑或环形管道内的二次流现象都会使总管截面上发生径向速度,使得流体活动出现显着的三维特征,再加上轴向速度的状况下,气流在总管内的流线是螺旋式的,即发生了涡结构。环形分流管道I总管内的内外侧压差发生的二次流方向与支管分流发生的旋流方向相同,二者叠加使得总旋涡强度有所提高;环形分流管道总管内的内外侧压差发生的二次流方向与支管分流发生的旋流方向相反,二者叠加使得总旋涡强度有所下降。

  支管是管道分流作用的直接表现,形式多样,本核算模型中,支管为“喇叭形”喷注孔,管内已达到超音速活动状况。核算成果表明,分流管道各支管流量沿总管流向基本上是上升的。这与总管的总压散布趋势相反,而与总管的静压散布趋势类似,即支管流量很大程度上是受总管内的静压操控。别的,气流在环形管道I内活动时发生的离心力方向与支管活动方向相同,对支管活动有促进作用;气流在环形管道内活动时发生的离心力方向与支管活动方向相反,对支管活动有阻止作用。特别在总管进口邻近,这种作用的作用更为显着。在这些要素的归纳作用下,环形分流管道I的流量动摇起伏最小,在均匀分配气流方面最具优势,线形分流管道居中,环形管道最差。在分流管道的实际运用中,还能够经过增大总管截面积、选用多端供气办法、将支管孔径进行不均匀规划等办法进一步改进气流分配作用。

  称谢感谢国防科学技能大学高性能核算运用研讨中心提供了开放式高性能核算资源。

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