射流霧化ANSYS CFD仿真應用

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ANSYS CFD 霧化仿真應用

單個液滴破碎過程CFD仿真（袋破裂模式）

? HP噴嘴噴霧的仿真與測量結果對比

德爾福·汽車系統工程師使用ANSYS Fluent準確描述噴嘴流動力學和破碎過程特征。通過ANSYS CFD仿真讓工程師能夠更好的理解噴嘴內部幾何參數相互復雜作用，實現從參數化優化過程到基于知識優化過程的過渡，實現開發出更好的產品目標。

應用場景-“發動機噴嘴軸向射流”

• 發動機燃燒室（Turbojet Augmentor Sections and Ramjet and Scramjet Combustors）壁面安置噴嘴，液體燃料從噴嘴射流混入橫向流動的空氣中，液體燃料霧化情況直接決定了其燃燒效率；研究不同結構參數下的噴嘴射流效果，對優化和開發新型噴嘴結構以及提高發動機性能有重要的現實意義；

• 噴嘴霧化性能試驗面臨周期長、成本高等問題，新型噴嘴產品更新換代速度慢，難以適應高速發展的市場需求。

射流霧化ANSYS CFD仿真機理

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“射流噴霧”過程中會同時發生初級和次級破碎現象；初級破碎指液體射流發生變形并形成大系帶的現象。接著在次級破碎過程中，系帶會進一步破碎成液滴。

ANSYS CFD 操作案例

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1、ICEM 建模

Dexit-nozzel=2mm，坐標原點設置在水口出口圓心處

計算域：

• X（-100mm，300mm）

• Y（-40mm，40mm）

• Z（0mm，120mm）

2、ICEM 網格劃分

• 利用“Refinement”對“Breakup region”加密；

• 初始網格數量約76萬；（水口直徑方向僅有4個網格）；

3、 Fluent VOF多相流模型設置

• 開啟“VOF”多相流模型，“顯示”形式，激活體積分數方程“Geo-reconstruct scheme”離散算法；

• 激活“隱士體積力”選項，在動量方程中考慮壓力梯度和體積力平衡關系，有助于計算收斂；

• 開啟相間連續表面張力模型“CSF”，設置項間表面張量系數0.0635N/m;

4、 Fluent 湍流模型和離散相設置

• 湍流模型選擇“k-omega SST”

• 離散相模型，非穩態粒子追蹤，Injection Type“singel”粒子粒子材料Water 屬性設置：Most（other）Point Properties are ignored, it’s just a container

5、 Fluent VOF to DPM 機理設置

• 需激活DPM離散相模型

• 被轉換相設置“water”

• 體積平衡相設置“air”；

• 體積等效球徑范圍設置0-2mm；

• 非球度設置為0.5；

6、 Fluent 網格自適應設置

• Mesh Adaption ：Normalised vf curvature 0.01 to 0.05 + isovalue adaption 0.45 to 0.55；

• 設置 “Max Level of Refine”5；

• ”Hanging-nodes”-FM（Cutcell）

- “adapt/set/method 2”激活PUMA

- 應用“dynamic solution-adaption

- mesh refinement”;

• adapt/free-registers 清除寄存器；

• PUMA Mesh method （Polyhedral Unstructured Mesh Adaption） :

• only available for 3D arbitrary polyhedra（polyhedra, tetrahedra, hexahedra, and so on）. It also consumes less memory during mesh refinement ,compared to the hanging node method;

• adapt/set/method 2命令轉換“hanging-nodes Method” to “PUMA Method”;

7、 求解設置-變量時間步法

“Variable Time Step Settings”

• 用戶根據實際工況設置Global Courant Number（CFLglobal）；

• 軟件根據計算過程中流速和自適應網格變化自動確定每個步長的最佳時間步長，來進行求解計算；

• 與傳統固定時間步相比，保證精度前提，可最大限度縮短瞬態仿真求解時間；

8、 Fluent 結果顯示

• 電腦配置：14核，28線程 E5-2683 CPU ；內存64GB ;

• 計算耗時：約28h（工況0.0022S）

• 軟件：ANSYS ICEM+FLUENT+HPC（2019R1）

9、Fluent 結果對照

射流破碎仿真結果與試驗結果以及射流破碎機理描述十分吻合。

10、Fluent 仿真動畫

ANSYS CFD配置清單

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類別	名稱	功能簡述
建模/幾何前處理	ANSYS  SCDM	支持對任意來源CAD模型的直接修改、簡化用于仿真分析
網格劃分	ANSYS Fluent Meshing	適用于復雜幾何模型的非結構網格劃分，可生成四面體、六面體核心和多面體網格
網格劃分	ANSYS  ICEM	適用于相對簡單的幾何模型，獨特的六面體網格技術，能獲得高質量的網格
先進CFD求解器	ANSYS  Fluent	通用CFD軟件，物理模型豐富、可拓展能力能力強。可以模擬流動、傳熱傳質、化學反應等物理過程
后處理	ANSYS CFD-Post	ANSYS  CFD軟件的通用后處理工具，可以對CFD計算結果后處理生成包含等值面、矢量、流線、油流圖及相關定量結果
高性能計算	ANSYS  HPC	并行計算模塊，提升計算效率，滿足對復雜模型，復雜物理過程的工程化仿真要求；根據用戶數量及任務數量有不同的配置方式

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