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摘 要：本文介绍了渐缩喷管内外部流动数值模拟的基本理论和方法，通过计算流体力学（CFD）技术对工质流体流经直短管和渐缩喷管的流动状态进行模拟，分析了工质流体流经喷管时喷管内外部的流场分布，并对两种短管的性能加以比较。
关键词：渐缩喷管；数值模拟；流场；卷吸
1 喷管应用概述
喷管的应用范围几乎包含所有工业领域、交通运输、农业生产，以及人民日常生活。除了人们熟知的燃烧设备和装置外，在非燃烧工业设备上也广泛应用。
2 物理模型
图中D为喷管进口直径，d为出口直径，L为直管长度，H为收缩段高度。由于喷管的流动为对称的，所以可以采用二维模型，采用输入坐标构造模型，并且为了能够得到较好的网格，采用分块划分网格，从而避开网格产生的畸形。
因为该模型对称，计算简单，所以直接用面的形式进行网格划分，为了使换分网格更精确，做辅助面将其划分为多个面，然后按照所分的区域，分区域划分网格，采用结构性网格，同时采用四边形网格，经检测，网格质量良好。
3 数值模拟理论基础
3.1 喷管的工作原理
高压低速的流体流过喷管时压力降低，流速增加，压力能减小动能增加。工质在压差的作用下，迅速扩散，动能增加的同时对外做功，或者将速度能转换成压力能。
3.2 模拟的流体力学基础
（1）连续性方程。在有限控制体中，质量守恒意味着：控制体表面的净质量流出等于控制体内质量的时间变化率。即：
（2） 动量守恒方程。动量守恒定律是任何流动系统必须满足的基本定律，
（3）能量守恒方程。能量守恒定律包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律，其表达式为：
除了流体的三大基本方程，还有组分质量守恒方程、控制方程的通用形式以及湍流的控制方程、守恒型控制方程和非守恒型控制方程等方程。
4 边界条件及残差曲线
压力进口边界条件，入口压力略低于储气罐压力（5bar），理想空气的参数：温度为300K，ρ=1.225kg/m3 μ=14.8×10-6Pa·S，喷管的进口水力直径等于喷管直径，即16mm。湍流模型计算得：k=0.26m2/s2；k-ε=19.3m2/s3。Outlet设为presssure-outlet即出口边界条件。
求解计算迭代残差曲线如下：
进出口质量流量相差0.0065239258Kg/s，计算误差为0.0876079%，满足质量守恒方程，该模拟结果收敛。
5 流场模拟
利用模拟软件及试验工况可以得到以下各图：
通过以上各云图及曲线图，可以看出流体流经喷管时压力减小，速度增加，湍动能增加；可以用来印证教学以及实验。
6 数值计算分析比较
采用尺寸相近的直短管做喷管来比较，其余条件相同。为了便于比较分析，将二者轴线上的速度write出的文件导入origin进行处理，得到直管和渐缩喷管的轴线速度随距喷管入口距离变化的曲线，如图5所示。
通过比较可以清晰的看出渐缩喷管的卷吸效果非常明显，在气流过程中形成明显的低压区，速度明显的高于直管，得出在相同的条件下，渐缩喷管相对于直管具有良好的卷吸效果，能够获得更大的动量，因此在需要更大动量的设备运行中应尽量将直管改为渐缩喷管以节约成本。
7 结束语
数值模拟的结果表明，渐缩喷管可以比直管式喷管获得更高的动量，同时也表明渐缩喷管可以广泛应用于较大出流的场所。另外在实际教学中可用数值模拟来代替部分试验，让学生能够直观的观察到各种工况的现象；同样也可用于实际工程试验，达到缩短周期、节省开发费用的目的。
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作者简介：崔祖涛（1985-），男，河南开封人，本科，研究方向：锅炉燃烧，职称初级。