喷射器有许多应用，比如清除外太空的碎片，为当地超市提供制冷服务。为了改进这些以及其他用途喷射器的性能，工程师致力于找到最佳设计和操作条件，并准确描述这些装置内的流动。多物理场仿真可以帮助实现这些目标。
什么是喷射器？
喷射器是一种没有移动部件的简单机械部件，它利用来自高速主射流的动量和能量传递来诱导二次流。在这个过程中，高能流体(主流)经过一个收缩扩张形喷嘴，最终达到超音速状态。
当主流离开喷嘴时，在一个叫做混合室的区域与二次流混合，混合室是一个恒定面积的导管。这种混合导致混合层和激波之间发生一系列复杂的相互作用。流体在混合室和扩散器中膨胀和减速，扩散器通常放置在出口之前，以帮助恢复压力并使流动回到停滞状态。最终，流体速度在被释放到大气中之前被降低到亚音速状态。
喷射器的简单示意图。
喷射器可用于各种应用，例如:
- 空间碎片清除
- 工业制冷(例如，超市)
- 气体再循环
- 飞机推进系统中的推力增强
- 真空产生
喷射器可以用来发射网并捕获围绕地球轨道运行的空间碎片(如死亡卫星)，这些碎片对宇航员和航天飞行器会构成威胁。
为了进一步推进喷射器的设计，有可能使用仿真来研究这些装置内的可压缩湍流。
使用 COMSOL Multiphysics® 模拟超音速空气喷射器
下面讨论的超音速喷射器的基准模型分析了一次流和二次流中的空气。出于验证的目的，模型的几何定义、流体特性、域设置和边界条件都来自科学文献。就像在文献中一样，这个例子是在 2D 轴对称坐标系中定义的，因为问题是旋转对称的。
有关此示例尺寸的详细信息，请查看超音速喷射器的模型文件。
超音速空气喷射器模型的几何形状
在这个例子中，二次流的压力小于出口压力。二次流是由离开主喷管的超音速主气流引起的，它会引起具有相反压力梯度的气流。这种流动用于产生真空，其中在二次入口可以获得非常低的压力，并且在例如燃料电池系统中用于气体再循环。在再循环的情况下，COMSOL Multiphysics 软件可用于计算再循环质量流量，如模型文档中所示。
这里讨论的喷射器问题可以使用 COMSOL 软件的 CFD 模块中的高马赫数流 接口，该接口能够准确描述气体中的超音速流。
模拟分析的结果
下面的第一个结果表明，本示例中的流速大到足以引起流体的密度和温度发生显著变化。此外，在主喷嘴的扩张段和混合室中，流动马赫数超过1。流体的减速(从超音速到亚音速流动)是通过一系列复杂的激波发生的，称为激波串或伪激波，由边界层与混合层相互作用引起。在模拟结果中，这些冲击被清晰地显示为冲击菱形。
仿真结果显示速度场中有典型的冲击菱形图案。这些激波菱形也可以在反应流的情况下通过实验观察到；例如，当流动中发生燃烧时。
正如预期的那样，主流在喷管的收缩段加速，在喉部达到音速条件，并在扩张段膨胀。
喷射器中的马赫数分布(左)以及喷嘴和混合室中的速度分布(右)。两个图都描绘了冲击菱形。
与此同时，二次流在一次喷嘴出口处的行为类似于一次流的人工壁。这导致了虚拟的喷嘴喉道和一系列经过混合区的膨胀和压缩波。最终，气流在恒定面积的导管内减速，并在扩张器处返回停滞状态。
喷射器中的湍流动能分布，显示了混合室中两股流动的结合。
接下来，下图分析了混合室中心线和壁面的压力。虽然多次冲击确实会导致气流在管道中心线从超音速变为亚音速，但这些冲击无法通过壁压测量来检测。原因是边界层中的耗散会抹去表面压力。
沿混合室中心线(蓝色)和壁面(绿色)的压力分布。
接下来是喷射器的温度结果图。仿真结果表明，喷射器内的温度非常低。出口甚至比两个入口的温度都低。对于设计喷射器的人来说，这是一个重要的观察结果，尤其是当他们处理两相流时。
喷射器中的温度分布。
喷射器基准模型的结果与现有文献中的结果非常吻合，表明了 COMSOL 软件的 CFD 模块能够精确分析喷射器。
后续步骤
想尝试自己动手模拟超音速喷射器的模型吗？点击下面的按钮，进入 COMSOL 案例库，在这里您可以使用 COMSOL 访问帐户下载文中讨论的示例模型的MPH文件。
要了解更多关于超音速流的信息，请阅读这篇博文: 如何在 COMSOL Multiphysics® 中模拟超音速流
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