小型拉瓦尔喷管的参数设计和模拟.pdf
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1、 收稿日期:作者简介:范晓星()男吉林长春人博士教授研究方向:流体流场计算模拟光催化气固反应器设计.辽宁大学学报 自然科学版第 卷 第 期 年 .小型拉瓦尔喷管的参数设计和模拟范晓星王 宇王曦珠张 硕(辽宁大学 物理学院辽宁 沈阳)摘 要:冷喷涂相比于传统热喷涂技术有许多优势能够制备传统喷涂技术难以制成的材料涂层能更好地适应工作环境使加工过程方便快捷从而提高工作效率.本文以冷喷涂设备小型化为研究背景首先在理论上对拉瓦尔喷管原理进行分析建立喷管截面积变化与各流动性能参数间的关系根据理论推导得出拉瓦尔喷管截面积与出口处流体速度等流动性能参数的关系最后通过计算机模拟了各参数下拉瓦尔喷管的工作状态.关
2、键词:拉瓦尔喷管 模拟超音速流中图分类号:.文献标志码:文章编号:()():.:引言冷喷涂技术可实现涂料在超音速状态下与基底的牢固接触实现对待喷涂表面的均匀顺滑的喷 涂覆盖.冷喷涂过程中温度较低相对于传统的热喷涂技术冷喷涂技术可以更好地实现对特殊材料的喷涂有效降低喷涂材料的氧化并且减少相变等情况的发生具有诸多优势.冷喷涂技术的核心是采用拉瓦尔喷管对载送涂料的气体进行超音速加速在喷管出口位置将颗粒物质加速到超音速.拉瓦尔喷管是利用出入口的压强差通过截面积先减小后增大来实现对气体的超音速加速该过程中高压气体温度逐渐降低压强逐渐减小此过程中气体的内能转变为气体的定向动能气体速度逐渐增大.冷喷涂设备在
3、工业领域已经被广泛应用但是其设备庞大无法在实验室条件下应用.冷喷涂技术在实验室条件下可用于小型的实验研究和小尺寸的样品制备从而降低实验的成本因此冷喷涂设备的小型化具有一定的应用前景.本文针对冷喷涂设备小型化的需求开展了拉瓦尔喷管的设计研究介绍了拉瓦尔喷管的工作原理对拉瓦尔喷管内流体运动过程进行简要分析建立喷管截面积变化与各流动性能参数间的关系计算得出拉瓦尔喷管的相关数据并利用 软件进行了计算机模拟.拉瓦尔喷管的工作原理分析为了设计针对气体的加速装置本文首先研究一元气体的流动特性.流体在流管内的流动过程可以视为定常等熵流动气体状态满足如下的方程.连续性方程:(常数)()能量方程:()动量方程:(
4、)状态方程:()其中:为气体的焓 为气体密度 为压强 为气体速度 为气体体积 为气体常数 为温度.由式()式()可以计算出流管内气体速度、压强、密度、温度随截面积的变化规律.()()()()()其中:为喉部位置的马赫数 为截面面积.式()式()给出了流体管道中速度、压强、密度和温度的变化过程与截面面积变化的对应关系.通过其中速度与截面面积的变化关系我们可以看出亚声速流体的速度随截面积的减小而增加 第 期 范晓星 等:小型拉瓦尔喷管的参数设计和模拟 而超声速流体的速度随截面积的增加而增加.在流体速度接近于声速时应有 即截面积取最小值也就是说在喉部应实现马赫数 .为了将气体从亚声速加速到超声速人们
5、通常采用拉瓦尔喷管实现超音速气体喷射.拉瓦尔喷管的形状如图 所示形如细腰筒形鼓两头大中间小渐缩渐扩以中间喉管为界限分为渐缩段和渐扩段.由上述公式可知流体通过渐缩段进入喉部的过程中马赫数小于、截面积减小、压强减小、密度减小、温度降低、气流速度增大马赫数逐渐增大到喉部时达到 在进入渐扩段后截面积增大、压强减小、密度减小、温度减小、气流速度进一步增大预计马赫数在出口处将达到大于 的水平.气体流动参数与流管截面积变化的关系管内气体压强、密度、温度、速度随截面积的变化情况如表 所示.图 拉瓦尔喷管形状示意图表 气体流动参数的变化参数渐缩段渐扩段压强渐减渐减密度渐减渐减温度渐减渐减速度渐增渐增 拉瓦尔喷管
6、参数设计.计算过程拉瓦尔喷管的各处尺寸标记如图 所示.图 拉瓦尔喷管尺寸示意图 气体在拉瓦尔喷管内流动的过程中具有很高的速度可忽略与外界发生的热交换依据绝热过程来处理分析.符号说明如下:假设气体为氮气气体常数用 表示./()绝热指数:.滞止密度:喉部密度:滞止压强:出口压强:滞止温度:其中为比定压热容.在入口处气体的速度要远低于管内的速度可近似为滞止状态.已知气体的能量方程为 辽宁大学学报 自然科学版 年 ()代入 式()可转化为 ()又引入气体状态方程 气体能量方程可转化为 ()气体在管内流动的能量损失忽略不计可得出入口处气体能量与流动过程中任意位置的能量守恒关系式如下:()由式()可得气体
7、流动至各处的速度:()考虑到绝热过程中()式()可转化为 ()根据式()得到出口处速度:()再次代入气体状态方程 有 ()图 出口处速度三维云图通过式()可以得出拉瓦尔喷管出口处的速度只和初始状态下的温度与压强相关.根据式()可绘制出初始状态温度在 压强在.时对应的出口处流速三维云图如图 所示可以看出高温高压的情况下气体速度更高在低压段压强变化会导致气体速度增加得较快高压段压强变化会导致气体速度增加得较慢.提高载气温度也可以提高喷口处气体的速度.考虑到实验室条件下拉瓦尔喷管小型化的需求我们对拉瓦尔喷管的喉部尺寸进行了估算.实验室能够提供气体的流量一般在./根据 第 期 范晓星 等:小型拉瓦尔喷
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