喷射冲击的CFD模拟

本期给大家带来的是关于喷射冲击的CFD模拟研究内容，希望对大家有帮助。

射流冲击是冷却热电子设备最有效的解决方案之一，因为它可以在冲击表面上产生非常高的传热速率。

随着现代芯片的功率密度的不断增加，使用喷流作为一种热管理方法显示出了巨大的潜力，尽管其实现比强制空气和液体冷却更为复杂。

在过去的二十年里，对单次或多次撞击射流条件下的流动和传热特性的实验和数值研究一直是一个非常动态的研究领域。

大多数冲击射流的电子冷却应用都集中在研究喷嘴下游区域的湍流，并预测冲击表面的局部和平均传热系数。

湍流建模是快速准确预测冲击传热的最大挑战，即使是在单一的圆形射流下。

对于射流冲击，喷嘴几何形状、表面间距、表面间距、交叉流、操作条件等。所有这些都有助于流动的分布和传热。

对于冲击射流的数值模拟，研究人员尝试了不同的湍流模型，如k-ε、k-ω、雷诺应力模型、代数应力模型和中心剪应力传递（SST）等，尽管没有一种模型被普遍认为在所有情况下都优于其他模型。

一些湍流模型已被证明在一定的精度范围内预测冲击流和传热是有用的。

本文介绍了近年来冲击射流的计算流体学仿真工作。

使用ANSYS工作台CFX作为CFD工具，对水下射流进行了数值研究，并将数值结果与现有的实验测量结果进行了比较。

比较k-ε、k-ω和Menter剪应力输运（SST）湍流模型的性能，发现SST模型提供了最准确的结果。

在研究中，测试结果被用作CFD模拟比较的基准。图1显示了射流撞击实验装置。测试部分的示意图，包括储罐和管道，如图2所示。

图2.试验断面示意图

该罐由透明的铸造丙烯酸制成，使成像设备能够通过粒子图像测速（PIV）系统对粒子进行拍照。其直径为101.6毫米，其高度为279毫米。

这个喷嘴是用一根不锈钢管制造出来的。该管道的直径为6.35毫米，其长度为711.2毫米。管道出口处的气流是一种良好的射流。

在试验和CFD模拟中，都使用了30°C的水作为工作流体。射流的平均速度保持在2.01 m/s，流速雷诺数为15895。

在CFD模拟中，由于所研究区域的对称性，只有四分之一的储罐和管道被建模。图3展示了一个用来离散模型流域的网格。图4为计算得到的速度UZ等高线图。

图3.多区域网格

图4.速度UZ轮廓图

图5显示了在测量域r/D和z/D内的分离距离H/D=2的撞击中的平均速度场和壁面射流区域的视图。

在表1中，显示了z/D=分别为0.075和0.852的5个选定点的误差百分比。从每个点的PIV和CFD数据中提取轴向速度UZ和Ur值，用UC=2.48 m/s进行归一化。

图5.H/D=2的冲击射流速度曲线

表1.H/D=2病例的误差分析

研究中，大多数地区的径向和轴向速度剖面在定性和定量上都显示出了良好的相关性。然而，在距离z/D撞击板较小的距离处，轴向和径向速度显示出一个方差，与PIV实验数据相比显著不同。

这是由于在停滞区和板块附近的湍流建模的复杂性。Khan等人认为，近板区域相对较大的误差百分比是由于各种原因，如所使用的数值方案和数学模型、网格构造、边界条件设置和壁处理函数。这个方差随着z/D值的增加而减小。

利用商用CFD软件Fluent对不同的射流配置进行了CFD模拟，如自由表面射流、水下射流和密闭射流。数值结果与其他研究人员的实验结果进行了比较。不同的射流配置如图6所示。

图6.不同喷射冲击配置：(a)自由面喷射、(b)水下喷射、(c)密闭喷射

发现没有单一的湍流模型产生的结果与不同类型问题和广泛雷诺数的实验数据相匹配。k-ω模型是最适合于这类冲击射流的模型。

因此，对于在研究中报告的所有结果，采用了标准的k-ω湍流模型与增强的壁处理。

对于自由表面射流，采用稳态隐式流体体积法。在这种方法中，他们进行了两相（空气和水）模拟，并跟踪了相之间的界面。

图7显示了具有自由表面喷流的区域和有代表性的速度轮廓。模拟采用自由表面射流实验配置。

图7.自由表面射流的配置和速度分布

图8显示了水下射流的结构域和有代表性的速度轮廓。模拟采用水下射流实验配置。

图8.水下喷射器配置和速度分布

图9显示了有限制射流的区域和有代表性的速度轮廓。模拟采用限制射流实验配置。

图9密闭喷射配置和速度曲线

表2.实验结果与CFD模拟结果的平均传热系数比较

表2为实验结果与汇流体模拟结果的平均传热系数的比较。对于单一的圆形水下射流配置，在广泛的雷诺数范围内，与实验数据（从相关性中获得）存在合理的匹配（在20%以内）。

对于密闭射流结构，在大范围内，CFD预测和实验数据（10%以内）再次得到了很好的匹配。

然而，对于单个自由表面射流，在高雷诺数情况下，CFD预测和实验之间的差异可高达30%。在自由表面射流的高雷诺数下不能准确地捕捉自由表面的形状和液体膜的厚度。

对于冲击射流的数值模拟，由于目前的湍流模型不能用流体力学和传热模型来表示，所有的湍流模型在捕捉射流冲击流的固有性质方面都表现出了优缺点。

在所有应用中，还没有普遍接受的建模射流冲击流的模型。综上所述，如本文所示，利用SST湍流模型对水下喷流进行建模取得了一些成功，而更倾向于利用k-ω湍流模型来研究自由表面喷流、水下喷流和约束射流。

所有这些模型都能在一定的精度范围内提供合理的仿真结果，如果该模型不适合用于该应用，则会引入一个很大的错误。

湍流建模的未来进展将有助于缩小模拟与现实之间的差距。目前，计算流体动力学模拟射流撞击的应用必须得到实验结果的验证。

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