基于FLUENT的机载气溶胶等速采样头的设计及其性能模拟

摘要

等速采样头是实现气溶胶代表性采样的关键部分。本文基于计算流体动力学(CFD)数值计算模拟研究方法，设计了一种带有扩散道和导流罩的气溶胶等速采样头，比较了速度、颗粒密度等因素对气溶胶颗粒通过采样头效率的影响。
　　在ICEM CFD中构建几何模型并进行网格划分，使用非结构化的网格划分策略得到质量较高的计算网格。通过数值模拟方法可以得到采样头结构参数对流体运动状况的影响，为采样头的设计提供理论依据。对连续相的处理使用标准k-ε模型，对颗粒相的处理使用拉格朗日模型。
　　对数值模拟的结果进行分析，最终设计的采样头结构参数为:扩散道的半扩容角为3.5°，弯曲半径为300 mm，导流罩内径为70 mm，导流罩的有效长度为70 mm，导流罩的总体长度为140 mm。
　　对气溶胶颗粒通过采样头的轨迹进行数值计算，得到以下结论:速度对颗粒的通过效率产生明显影响，在小粒径范围（1-4μm）内，流速越高颗粒通过采样头的效率越高，在大粒径范围（5-10μm），流速越高颗粒的通过效率越低;密度影响颗粒的通过效率，粒径在4岬以下时，密度越大颗粒的通过效率越高，粒径在5μm以上时，密度越大颗粒的通过效率越低，对于同一种密度的颗粒而言，随粒径的增大通过采样头的效率先增大而后减小;重力对不同粒径的颗粒的通过效率影响不同，对于粒径小于4μm的颗粒而言，重力沉降的影响很小，粒径越大，颗粒所受到的重力沉降的影响越明显。