超音速气流粉碎机等流能喷嘴计算

2017-09-30 13:32:14

   在超细粉碎技术中, 利用高速气体的流能, 使颗粒间相互碰撞和摩擦的气流粉碎是目前公认的能获得最小微粒的机械粉碎方法之一闭喷嘴是气流粉碎机最重要的组成部分, 它的结构及流动性能决定粉碎室的流场, 也即决定了粉碎机的性能阴在工程中, 通常用一维流理论分析喷嘴流动, 管壁型线设计成锥型阎, 这在一般情况下是有效的, 而且便于加工但是, 为了获得高效的, 尤其是大功率的气流粉碎机, 将管壁型线设计成流线型以减小喷嘴的流能损失, 提高喷射效率是十分必要的超音速气流粉碎机喷嘴通常采用的是喷管, 对喷管的研究, 在气体动力学中是比较成熟的内容本文根据气体动力学理论中关于对喷嘴的流动研究所提出的方法, 应用特征数值分析法, 结合气流粉碎机的流动特征, 对其喷嘴管壁特型线的设计间题进行了分析, 提出了等流能喷嘴的计算方法和设计步骤, 为设计高效大功率的超音速气流粉碎机提供了参考。

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目前, 超音速气流粉碎机的喷嘴大多将这三段设计成线性锥形但按照气体动力学理论认为, 用一条符合流动规律的特型曲线取代线性的管壁型线, 可以减少流能损失, 提高喷射效率下面分别介绍这三段型线的确定方法。

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扩散段型线

扩散段管壁型线是喷嘴流道中最重要的线段, 它最终决定喷嘴的流动和喷射效率按照流动规律, 若取喷嘴流动中的某一条流线做为管壁型线, 从理论上讲, 当忽略摩擦作用时, 则流动过程没有损失, 这就是设计等流能喷嘴的基本思想用气体动力学理论中的特征线数值分析法, 可以确定这段喷射流线如图所示, 按特征线计算法阁, 将喷嘴喉部过渡段和扩散段流域分成区—柯西初边值间题, 区—固壁边值问题和区—第二边值问题以喉部的声速线作为特征线网的起点, 逐点解出各区域的流动参数和几何参数, 直至经过过渡段管壁型线之端点的流线即扩散段型线被确定出来整个计算过程可由计算机完成, 具体解析如下:

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以上两方程组是对p区进行数值解析的基本式

初值线确定图’特征线方法中的初值线—等声速线可根据定常二维跨音速流动的流场分析法确定

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对于一台超音速气流粉碎机, 喷嘴的喷射速度决定着粉碎室的流场速度要提高粉碎效率和细度, 一方面要在不加大粉碎压力的条件下, 尽可能地提高喷射速度, 另一方面要尽量减小核心喷射带的扩散锥角, 以同时满足提高粉碎区应力强度和碰撞概率的条件要减小核心喷射带扩散锥角, 必须将喷嘴出口处的喷射气流设计成均匀的平行流根据这个条件, 如果按粉碎强度要求取点设计马赫数为。, 并且使通过与的质量流率相等, 则直线上各节点参数可以确定, 并与曲线一起构成所谓第二边值问题由式、可以解析区各节点流动与结构参数经过过渡段管壁型线之端点的流线, 即取做扩散段曲线

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由图可以看出, 在较低的马赫数下,扩散段型线较接近直线, 但随着马赫数的提高, 非线性度增大, 若仍用直线代替壁面特型线, 就会有较大的误差, 尤其对大功率的气流粉碎机会产生较大的流能损失以上结果, 是在未考虑喷嘴管壁摩擦作用的情况得到的, 实际上对于这种小管径喷嘴, 由于相对表面积比较大, 壁面的摩擦作用是不可忽视的, 应在以上计算结果的基础上进行修正其方法是应用附面层理论计算喷射流附面层厚度占, 并将喷嘴流道向半径增大的方向扩大相应的占值, 即可得修正后的等流能喷嘴, 其具体计算方法, 有待进一步研究

结论

对于中小型超音速气流粉碎机的喷嘴, 将其设计成线性锥管, 可以简化设计, 方便制造, 但对于大功率气流粉碎机, 为了提高喷射效率, 降低粉碎能耗, 有必要将喷嘴设计成流线形的等流能喷嘴用气体动力学中的定常二维无旋超音速流的特征线数值分析法, 可计算这种喷嘴的管壁型线, 利用计算机能方便地进行全部运算



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