Numerical simulation of a flow through a nozzle

Abstract

This study investigates water flow through a nozzle installed in a pipe using numerical simulations performed with COMSOL Multiphysics. The objective was to evaluate the effects of three key parameters on flow behavior: Reynolds number, nozzle length, and expansion ratio. Different Reynolds numbers (500–2500), nozzle lengths (0.042–0.21 m), and expansion ratios (3– 7) were analyzed. The simulations provided detailed information about the velocity field, pressure field, streamlines, and recirculation zone within the flow domain. The results showed that increasing the Reynolds number causes greater fluid acceleration and larger velocity and pressure gradients. A longer nozzle promotes a smoother and more stable flow development. In addition, increasing the expansion ratio (reducing the throat diameter) leads to higher maximum velocities and a greater pressure drop. Overall, the study demonstrates that Reynolds number, nozzle length, and expansion ratio are critical factors governing the hydrodynamic behavior of flow through a nozzle and are important for the design and optimization of industrial nozzle systems. Keywords: Numerical simulation, Nozzle, COMSOL Multiphysics, Reynolds number, Expansion ratio, Nozzle length, Velocity field, Pressure field.الملخص تتناول هذه الدراسة جريان الماء عبر فوهة ) (Nozzleمثبتة داخل أنبوب باستخدام المحاكاة العددية المنجزة بواسطة برنامج .COMSOL Multiphysicsوكان الهدف من الدراسة تقييم تأثير ثلاثة عوامل رئيسية على سلوك الجريان، وهي: عدد رينولدز، وطول الفوهة، ونسبة التمدد. تم تحليل قيم مختلفة لعدد رينولدز ( ،)2500–500وأطوال الفوهة ( 0.21–0.042م،) ونسب التمدد ( .)7–3وقد وفرت المحاكاة معلومات تفصيلية حول مجال السرعة، ومجال الضغط، وخطوط الانسياب، ومنطقة إعادة الدوران داخل مجال الجريان. أظهرت النتائج أن زيادة عدد رينولدز تؤدي إلى زيادة تسارع المائع وارتفاع تدرجات السرعة والضغط. كما أن زيادة طول الفوهة تساعد على تطور الجريان بصورة أكثر سلاسة واستقرا ًرا. بالإضافة إلى ذلك، فإن زيادة نسبة التمدد (أي تقليل قطر الحلق) تؤدي إلى زيادة السرعة العظمى وحدوث انخفاض أكبر في الضغط. بشكل عام، تُظهر هذه الدراسة أن عدد رينولدز، وطول الفوهة، ونسبة التمدد تُعد عوامل أساسية تتحكم في السلوك الهيدروديناميكي للجريان عبر الفوهة، ولها أهمية كبيرة في تصميم وتحسين أنظمة الفوهات المستخدمة في التطبيقات الصناعية. الكلمات المفتاحية :المحاكاة العددية، الفوهة، ،COMSOL Multiphysicsعدد رينولدز، نسبة التمدد، طول الفوهة، مجال السرعة، مجال الضغط.Résumé Cette étude porte sur l’écoulement de l’eau à travers une tuyère (nozzle) installée dans une conduite, en utilisant des simulations numériques réalisées avec COMSOL Multiphysics. L’objectif était d’évaluer l’influence de trois paramètres principaux sur le comportement de l’écoulement : le nombre de Reynolds, la longueur de la tuyère et le rapport d’expansion. Différentes valeurs du nombre de Reynolds (500–2500), de la longueur de la tuyère (0,042–0,21 m) et du rapport d’expansion (3–7) ont été analysées. Les simulations ont fourni des informations détaillées sur le champ de vitesse, le champ de pression, les lignes de courant et la zone de recirculation dans le domaine d’écoulement. Les résultats ont montré que l’augmentation du nombre de Reynolds entraîne une accélération plus importante du fluide ainsi qu’une augmentation des gradients de vitesse et de pression. Une tuyère plus longue favorise un développement de l’écoulement plus progressif et plus stable. De plus, l’augmentation du rapport d’expansion (c’est-à-dire la réduction du diamètre du col) conduit à des vitesses maximales plus élevées et à une chute de pression plus importante. Dans l’ensemble, cette étude montre que le nombre de Reynolds, la longueur de la tuyère et le rapport d’expansion sont des paramètres essentiels qui gouvernent le comportement hydrodynamique de l’écoulement à travers une tuyère. Ils jouent un rôle important dans la conception et l’optimisation des systèmes de tuyères utilisés dans les applications industrielles. Mots-clés : Simulation numérique, Tuyère, COMSOL Multiphysics, Nombre de Reynolds, Rapport d’expansion, Longueur de la tuyère, Champ de vitesse, Champ de pression.