基于ansys的喷雾器喷嘴流场仿真研究.docx

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基于ansys的喷雾器喷嘴流场仿真研究

分类号

密级

宁宁波大红鹰学院

毕业设计（论文）

基于ANSYS的喷雾器喷嘴流场仿真研究

所在学院

机电分院

专业

机械设计制造及其自动化

班级

姓名

学号

指导老师

年月日

诚信承诺

我谨在此承诺：

本人所写的毕业论文《基于ANSYS的喷雾器喷嘴流场仿真研究》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

承诺人（签名）：

朱晓峰

2012年3月25日

摘要

本文采用ANSYS的CFD分析模块对喷雾器喷嘴流场仿真研究，通过建立喷雾器喷嘴内流体流动的计算模型,分析了计算流体力学方法（CFD）在模拟喷嘴流场方面的应用。

ANSYS是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种在计算数学，计算力学和计算工程学领域最有效的通用有限元软件。

它是融结构、热、流体、电磁、声学与一体的大型通用有限元商用分析软件。

利用ANSYS有限元分析，可以对各种机械零件，构件进行应力、应变、变形、疲劳分析，并对某些复杂系统进行仿真，实现虚拟的设计，从而大大节省人力，财力和物力。

由于其方便性、实用性和有效性，ANSYS软件在哥哥领域，特别是机械工程当中得到了广泛的应用。

利用ANSYS软件来比较不同喷嘴结构形式下流体的流动特征,研究喷嘴突出长度、入口速度以及输入管内径对喷嘴雾化质量的影响。

结果表明这些参数相互配合,存在最优值,为喷嘴结构优化设计提供信息及依据,对实际生产也具有指导意义。

关键词：

喷雾器，流体力学，有限元分析，雾化

Abstract

ThispaperusestheANSYSCFDanalysismoduleofthesprayernozzleflowfieldsimulationresearch,throughtheestablishmentofthesprayernozzleflowcalculationmodel,analysisofthecomputationalfluiddynamics（CFD）methodinsimulationofnozzleflowapplications.Comparisonofdifferentformofnozzlestructureforfluidflowcharacteristics,studyofthenozzleprotrusionlength,entrancevelocityandinputtubediameterofnozzleatomizationqualityinfluence.Theresultsshowthattheseparametersarematchedwitheachother,thereexistsanoptimalvalueforthenozzlestructureoptimizationdesign,provideinformationandbasis,alsohasguidingsignificanceforpracticalproduction.

KeyWords:

sprayer,fluidmechanics,finiteelementanalysis,atomization

摘要I

AbstractII

目录III

第1章绪论1

1.1主要课题内容及分析1

1.1.1主要内容1

1.1.2选题背景1

1.1.3设计方案1

第2章有限元概述2

2.1有限元国内外研究现状2

2.2有限元分析的发展趋势3

2.3.1与CAD软件的无缝集成4

2.3.2更为强大的网格处理能力4

2.3.3由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解................................................5

第3章喷雾器模型的建模设计6

3.1喷雾器特性6

3.1.1现实中的运用6

3.1.2喷雾器的工作原理6

3.2对喷雾器模型ANSYS分析........................................................................................8

3.2.1分析思路...........................................................................................................9

3.2.2导入模型...........................................................................................................9

3.3FLOTRANCFD分析的概念...................................................................................13

3.4FLOTRAN分析基础及OTRAN单元的特点.........................................................14

3.5喷嘴流场FLOTRAN分析........................................................................................15

第4章对喷雾器模型ANSYS详细分析30

4.1喷雾器喷嘴模型分析30

4.1.1喷雾器喷嘴的计算模型..................................................................................30

4.2数值计算边界条件.....................................................................................................31

4.4计算结果及讨论36

4.4.1喷嘴输出管拐角对流体流速分布影响..........................................................36

4.4.2喷嘴突出长度对流体流速分布的影响..........................................................37

4.4.3输入管入口速度对流体流速分布的影响......................................................37

4.4.4喷嘴输入管内径对流体流速分布的影响......................................................37

总结与展望38

参考文献39

致谢41

第1章绪论

1.1主要课题内容及分析

1.1.1主要内容

对喷雾器喷嘴进行工艺分析，并确定分型方案、浇注系统位置和大小、抽芯方案、顶出方案等。

然后选择合适的相关参数。

在此基础上，进一步确定喷嘴整体结构布置方案。

最后采用Pro/E、ANSYS等软件，完成门把喷雾器喷嘴的模具设计。

该零件是装于喷雾器闪的零件，形状较为复杂，其结构上的特点有：

一，壁薄但在一定气压下有严格的密封性要求；二，有四处小直径但深度大的通孔和两处需要加工出螺纹的铸孔；三，有两个成90°相交的铸孔需要布置侧向抽芯和镶块；四，该零件需要得到很好的冷却，局部需要设置“点通水”。

此外，该零件壁厚较均匀，避免热节，减少局部热量集中，能降低材料的热疲劳。

为了做好本次设计，查阅了大量的参考文献，从理论上做好充足的准备，进行了模具设计与制造专业学习，同时学习了材料成型原理等课程，并做过模具设计的课程设计，能熟练使用Pro/E、ANSYS等软件进行建模、装配、开模和出图。

此外，指导本次设计的刘耀林老师从事技术工作，有大量的实践经验，相信在我们的共同努力下，一定能做好本次设计。

1.2选题背景

有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。

它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。

这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。

由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。

有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。

有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。

经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。

1.2.3设计方案

喷雾器喷嘴内液体的流动过程比较复杂，起流动装他决定了喷嘴的喷雾性能。

目前，有关喷嘴内流体喷雾过程的许多理论与技术问题尚未得到很好的解决。

CFD技术的进步使得人们可以微观地研究喷雾内部的流体流动、混合的基本过程,各种CFD软件也逐渐成熟并得到广泛的应用，其精度是以满足工程研究的需要。

因此，为了进一步了解喷雾器的雾化机理和特性，对一下进行了研究。

（1）、喷雾器喷嘴雾化流场的数学建模；

（2）、喷嘴雾场的数值模拟及结构分析；

（3）、喷嘴结构分析与改进、结构优化与生产实践的应用。

在工程技术领域中有许多力学问题和场的问题。

例如固体学中的应力应变场合唯一场分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析以及电磁学欧诺个的电磁场分析等，都可以看做是在一定的边界条件下求解其基本微分方程的问题。

对于这类问题，往往需要借组与各种行之有效的数值计算方法来获得满足工程需要的数值解，这就是数值求解技术，它在十几工程领域发挥举足轻重的重要。

目前在工程实际应用中，常用的数值求解方法有：

有限单元法、有限差分法、边界单元发和加权残数法等。

但从实际性和使用范围来说，有限元法则是随着计算机的发展而被广泛应用的一种行之有效的数值计算方法。

它在工程技术领域中的应用十分的广泛，几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可以用它来求得满意的数值结果。

有限单元法分析实现手段主要是通过有限元分析软件来实现的。

目前国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有：

ANSYS、ASKA、ADTNA等软件，其中ANSYS为代表的工程数值模拟软件，是一个多用途的有限元法分析软件，其分析功能不断完善和扩充。

起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、电磁场及碰撞等问题的解答。

第2章有限元概述

2.1有限元国内外研究现状

“有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。

有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。

近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军工，船舶，铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：

（1）增加产品和工程的可靠性；

（2）在产品的设计阶段发现潜在的问题；

（3）经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本；

（4）缩短产品投向市场的时间模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。

国际上早在60年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正的CAE软件是诞生于70年代初期，而近15年则是CAE软件商品化的发展阶段，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力，都进行了大幅度的改进与扩充。

这就使得目前市场上知名的CAE软件，在功能、性能、易用性、可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，从而帮助用户解决了成千上万个工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。

目前流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等。

MSC-NASTRAN软件因为和NASA的特殊关系，在航空航天领域有着很高的地位，它以最早期的主要用于航空航天方面的线性有限元分析系统为基础，兼并了PDA公司的PATRAN，又在以冲击、接触为特长的DYNA3D的基础上组织开发了DYTRAN。

近来又兼并了非线性分析软件MARC,成为目前世界上规模最大的有限元分析系统。

ANSYS软件致力于耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、电磁四种场的计算，已博得了世界上数千家用户的钟爱。

ADINA非线性有限元分析软件由著名的有限元专家、麻省理工学院的K.J.Bathe教授领导开发，其单一系统即可进行结构、流体、热的耦合计算。

并同时具有隐式和显式两种时间积分算法。

由于其在非线性求解、流固耦合分析等方面的强大功能，迅速成为有限元分析软件的后起之秀，现已成为非线性分析计算的首选软件。

2.3有限元分析的发展趋势

纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元的分析方法的一些发展趋势。

2.3.1与CAD软件的无缝集成

当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。

为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件（例如Lexigraphic、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。

有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术，能和以Parasolid为核心的CAD软件（如Lexigraphic、SolidEdge、SolidWorks）实现真正无缝的双向数据交换。

2.3.2更为强大的网格处理能力

有限元法求解问题的基本过程主要包括：

分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。

由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。

自动六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。

2.3.3由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解

有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。

而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。

现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。

第3章喷雾器模型的建模设计

3.1喷雾器的特性

3.1.1现实中的运用

喷雾器是近十几年来喷射流体力学原理应用研究最活跃的领域之一，其技术产品的应用，覆盖着工农业生产的各个方面，例如工业高温化学反应炉用的各种喷雾式燃烧器、降温保护喷雾器、除尘喷雾器、干燥喷雾器、告诉粒子切割喷射器、告诉喷涂器、清洗及灭火喷射器，以及农业中应用的各种农药喷雾器装置等等。

由于其应用的目的不同，操作过程的差异，使其结构存在着较大的差异，但均基于流体喷射原理和过程开发设计的高技术产品。

而却建材性用行业也很多。

例如为提高系统的收尘效率而设计的增湿塔喷雾器；为保护水泥产品质量的水泥磨内喷雾器；为在突发事故中保护高温设备的安全运行设计的各种喷雾器和提高燃烧效率所设计的各种燃烧器等等。

这些均是以喷射流体流动过程为基础的喷雾器。

3.1.2喷雾器的工作原理

喷雾器的工作原理是：

当操作者上下摆动喷嘴时，使阀杆在泵体内网上下往复运动。

当阀杆上行时，活塞向上运动，喷嘴下方由阀针和泵体所组成的空腔容积不断增大，形成局部真空。

这是塑料瓶内的液体在液面和泵体内的压力差作用下冲进水阀（弹珠），沿着进口习惯路进入泵体，完成吸水过程。

当阀杆下行时，阀针向下运动，泵体内的流体被挤压，使流体压力骤然增高。

在这个压力的作用下，进水阀被关闭，出水阀（玻璃球）被压开，液体通过阀杆进入喷头被雾化喷出。

喷嘴内液体流动过程比较复杂，其流动状态决定了喷嘴的喷雾性能。

为了进一步了解喷雾器的雾化机理和特性，研究不同结构形式的喷嘴雾化特性，分析不同结构参数以及运动参数对雾化质量的影响，即研究输液管内径、喷嘴突出长度、雾化压力等对雾化效果的影响，具有很强的显示意义。

同时，为喷嘴结构优化设计提供信息及依据，对十几生产也具有指导意义。

喷雾器结构原理图

喷嘴是影响喷雾器喷雾性能的关键部件之一。

喷嘴设计和制造的好坏将直接决定是否能获得理想的雾化质量。

国内外学者已经对气泡雾化的机理，气泡雾化喷嘴的流量特性，流型及流场特性，雾化特性等进行了广泛的研究工作，并得到以下的结论：

喷射器结构与工作性能之间存在着密切关系，在喷射器的结构设计中，喷嘴突出长度、输出管内径和吸管内径，雾化压力以及流体入口速度是影响雾化质量的重要参数，实验研究结果表明其存在着最优值，但是通过实验来进行研究耗费比较大，并且不能直接地观察到影响因素的作用过程。

喷嘴内液体的流动过程比较复杂，起流动状态决定了喷嘴的喷雾性能。

目前，有关喷嘴内流体喷雾过程的许多理论与技术问题尚未得到很好的解决。

CFD技术的进步使得人们可以微观地研究喷雾内部的流体流动、混合的基本过程。

各种CFD软件如Fluent，CFX，ANSYS等也逐渐成熟并得到广泛的应用，起精度足以满足工程研究的需要。

因此，为了进一步了解喷雾器的雾化机理和特性，进行对喷雾器喷嘴流畅模拟研究。

3.2喷雾器模型ANSYS分析

3.2.1分析思路

喷雾器（喷射器）是近几十年来喷射流体力学原理应用研究最具代表性的产品之一，其应用覆盖着工农业生产的各个方面，例如工业高温化学反应炉用的各种喷雾式燃烧器、降温保护喷雾器、除尘喷雾器、干燥喷雾器、高速粒子切割喷射器、高速喷涂器、清洗及灭火喷射器以及农业中应用的各种农药喷雾装置等等，由于其应用的目的不同，操作过程的差异，使其结构存在着较大的差别，但均基于流体喷射原理对于建材行业，也有多方面的应用。

例如为提高系统的收尘效率而设计的增湿塔喷雾器}为保护水泥产品质量而设计的水泥磨内喷雾器}为在突发事故中保护高温设备的安全运行而设计的各种喷雾器（篦冷机内的喷雾器、高温设备保护喷雾器等）和为提高燃烧效率所设计的各种燃烧器等等。

由于设备的应用目的不同，因此在设计中，也有所侧重。

喷嘴设计和制造的好坏将直接决定是否能获得理想的雾化质量。

国内外学者已经对气泡雾化的机理,气泡雾化喷嘴的流量特性,流型及流场特性,雾化特性等进行了广泛的研究工作,并得到以下的结论:

喷射器结构与工作性能之间存在着密切关系,在喷射器的结构设计中,喷嘴突出长度、输出管内径和吸管内径,雾化压力以及流体入口速度是影响喷嘴雾化质量的重要参数。

试验研究结果表明其存在着最优值,但是通过试验来进行研究耗费比较大,并且不能直接地观察到影响因素的作用过程。

喷嘴内液体的流动过程比较复杂,其流动状态决定了喷嘴的喷雾性能。

目前,有关喷嘴内流体喷雾过程的许多理论与技术问题尚未得到很好的解决。

CFD技术的进步使得人们可以微观地研究喷雾内部的流体流动、混合的基本过程,各种CFD软件如FLUENT,CFX,ANSYS和ABAQUS等也逐渐成熟并得到广泛应用,其精度足以满足工程研究的需要。

因此,为了进一步了解喷雾器的雾化机理和特性,本文利用喷雾模型与计算流体力学分析方法对喷雾器喷嘴流场进行模拟研究,研究喷雾器喷嘴内部流体速度分布随时间的变化,找出影响喷雾特性的结构参数,为喷嘴结构优化设计提供信息及依据,以便指导生产实践。

3.2.2导入模型

1、启动ANSYS。

选择开始>程序>ANSYSFLEXLMlicensemanager>LMTOOLSUtility

命令，出现以下画面。

2、建立工作目录、色织工作文件名。

单击BROWSE按钮进行选择，次目录一旦选定，ANSYS所有生成文件将自动保存在此目录下面，建议对不同的分析用不同的工作目录，这样可以确保每次分析所产生的文件不会覆盖以前的文件。

3、导入模型。

对已用PROE画好的喷雾器喷嘴图形进行导入分析，选取喷雾器喷嘴所在的目录，直接双击或者点击打开。

4、设置分析选择。

进入MainMenu>Preference，点取FLOTRANCFD项后，选择OK。

5、进行划分单元网格。

进入MainMenu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>Areas>Free

在点取菜单中点取PickAll。

6、施加边界条件。

在模型的进口处加X方向速度为2、其它方向速度为0的进口速度条件；在所有壁面处加两个方向速度都为零的速度条件，在出口处加零压力边界条件。

其中步骤为：

进入UtilityMenu>Select>Entities在弹出菜单中选择“Nodes”和“ByNum/Pick”，选择OK然后在弹出的选择菜单中选择“Box”，按住鼠标左键，在模型左侧进口边的所有节点周围拉出一个方框Menu>Preprocessor>Loads>Apply>fluid/CFD>VelocityOnNodes，选择PickAll，在弹出的菜单中VX域输入2，VY域输入0既可。

最后在图形窗口中点取表示体，之后点取选择菜单中的OK。

3.3FLOTRANCFD分析的概念

ANSYS程序中的FLOTRANCFD分析功能是一个用于分析二维及三维流体流动场的先进的工具，使用ANSYS中用于FLOTRANCFD分析的FLUID141