双腔室自振脉冲喷嘴空化射流数值模拟_于海涛.pdf

以风琴管喷嘴为基础，串联一个谐振腔形成双腔室自激振荡脉冲喷嘴，利用 对其流场进行数值模拟，分析射流靶距、二级谐振腔腔长比、腔径比的变化对空化射流流场的影响。结果表明：谐振腔尺寸过大或过小均会影响涡环结构的形成，进而影响空化效果。当谐振腔腔长比为、腔径比为 时，谐振腔内涡环结构对称性好，轴向含气率高，射流速度较高，该结构利于清洗效率的提高。靶面滞止压力可对空化效果产生影响。当射流靶距较小时，在滞止压力的作用下二级谐振腔无涡环结构产生，轴向含气率较低。当靶距增加到 时滞止压力产生的影响减小，轴向含气率明显提高，因此清洗靶距应至少为 。但靶距的增加会降低射流到达靶面的动能，因此最佳靶距应取 。关键词：空化；风琴管喷嘴；自激振荡；双腔室中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；空化是指当流体内的压力低于其饱和蒸气压时，流体中的空化核析出、发展、溃灭的过程。由于空化核在溃灭过程能对固体表面产生强大的破坏作用，因此，等提出将空化与水射流技术结机 械 科 学 与 技 术第 卷：合产生空化水射流能极大提高射流的冲蚀能力。空化水射流技术在石油钻井、清洗除锈、金属喷丸等领域有着广泛应用。等利用高速摄像研究了角形空化喷嘴的扩散角对空化云的非定常流动特性的影响，并对靶面的冲蚀机理进行分析。等实验研究了倾斜表面上空化射流的冲蚀及其自激振荡行为，分析了冲蚀形貌与射流振荡频率随角度的变化规律。张坤等对自激脉冲喷嘴采用 种湍流模型进行数值计算对比，并分析了谐振腔一个振荡周期内空化初生、发展的演变过程。等采用高速摄像对空化云的溃灭形态进行观测，并对靶面冲蚀坑深度及数量进行了分析。王萍辉等对射流振动信号进行分析，研究了喷嘴自激振动频率特性，得到了实验工况下最佳喷嘴结构。李根生等利用水声学原理和瞬态流理论对风琴管喷嘴的工作原理进行分析，得到了谐振腔结构的基本设计模式。戚美等对双腔室自振空化喷嘴的内流场进行仿真计算，分析了来流雷诺数、腔长比和腔径比对空化流场的影响。邓嵘等利用 优化了双腔室自振喷嘴的二级谐振腔结构，并与单腔室自振空化喷嘴的射流打击力进行了对比分析。为了提高喷嘴的空化射流能力，相关学者对单腔室喷嘴的射流机理、结构尺寸等方面做了大量研究，但对双腔室自振空化射流喷嘴的相关研究较少。因此，本文基于风琴管喷嘴串联一个二级谐振腔形成双腔室自振空化喷嘴，利用 对其内外流场展开研究，分析谐振腔的腔长比、腔径比和射流靶距对空化射流效果的影响，旨在提高喷嘴的清洗效率。计算模型 物理模型根据蔡腾飞等和唐川林等研究的喷嘴结构为主，建立的双腔室自振脉冲喷嘴由风琴管喷嘴与二级谐振腔两部分构成，其结构尺寸如图 所示。图 喷嘴二维示意图 双腔室喷嘴中风琴管喷嘴段尺寸：入口腔直径.，谐振腔直径 .，圆柱段直径 ，入口腔长 ，谐振腔长.，圆柱段长 ，扩散段长.，扩散角。二级谐振腔段尺寸：谐振腔长 ，谐振腔直径.，出口圆柱段直径 ，圆柱段长 ，扩散段长 ，扩散角。来流经风琴管喷嘴谐振腔产生自激振荡后进入二级谐振腔，在二级谐振腔的作用下射流自激振荡得到加强，使空化射流效果得到进一步提高。数学模型时均后的 方程如下：（）（）（）（）（）式中：、略去平均号“”，表示平均速度分量、平均压力；为流体动力黏度；为流体密度；为雷诺应力，需要对其建立湍流模型对方程进行封闭。模型输运方程：（）（）|（）（）（）|（）（）式中：为速度梯度产生的湍动能项；为浮力产生的湍动能项；为湍流脉动膨胀对总耗散率的贡献项；、为湍流 数；、为常数项；、为自定义源项。空化模型为（）（）（）式中：为汽相体积分数；为汽相密度；为液相密度；为混合相密度；为汽相速度。网格的划分与边界条件的设定对计算域采用 进行网格划分。为了提高计算精度，对网格局部加密，并进行网格无关性分析，当网格数为 时可满足计算要求。由于喷嘴计算域为轴对称结构，取二维模型的一半进行数值计算。在距离喷嘴出口 处设置射流冲击靶面。喷嘴的网格划分如图 所示。第 期 于海涛，等：双腔室自振脉冲喷嘴空化射流数值模拟：图 计算域网格划分喷嘴入口条件设为，压力值设为。喷嘴出口条件设为，压力值设为.。求解器采用压力速度耦合算法，采用 阶迎风离散格式，用壁面函数法对近壁区处理。计算结果分析 谐振腔腔长比对空化流场的影响谐振腔尺寸会对射流自激振荡产生显著影响，进而改变空化射流效果。本文定义谐振腔腔长比为 ，通过改变，腔长比 分别取.，.，.，.得到图 所示流线图。图 腔长比 不同时的流线图 由图 可知，当腔长比为.时，二级谐振腔内无明显涡环结构产生。当腔长比增加到.时开始出现明显的涡环结构流线，且对称性较好。随着腔长比 增加，过大的腔长比减弱了谐振腔碰撞壁对射流的反馈作用，降低了自激振荡效果，导致涡环结构对称性变差。涡环结构对称性变差使射流剪切及压力分布受到影响，进而影响到能量的耗散及空化核的发育。图中可见，不同腔长比喷嘴其最高射流速度分别为.，.，.，随着腔长比增加，射流速度降低，这是因为随着谐振腔长度增加，涡环结构对称性变差，射流能量耗散增大引起的。图为不同腔长比喷嘴其轴向含气率分布曲线图。图 喷嘴轴向含气率分布图机 械 科 学 与 技 术第 卷：图 中横坐标是以喷嘴入口为原点的轴向位置坐标。图中可见，当腔长比为.时，轴向含气率峰值远低于其他喷嘴结构。结合图 可见，这是因为二级谐振腔尺寸过小无法产生有效的自激振荡，使来自一级谐振腔的射流无法得到进一步加强，因此空化效果较差。因二级谐振腔无法产生自激振荡，射流高速穿过二级谐振腔时产生负压，使得二级谐振腔处产生了空化，因此在轴向 处出现气相分布。当腔长比为.时含气率最高，随着腔长比增加含气率下降，这是因为随着腔长比增加，涡环结构对称性变差，对射流的增强作用减弱，进而影响到气相的生成。由上述分析可知，当腔长比为.时，射流流速较高，涡环结构对称性好，含气率高，因此对腔长比为.的喷嘴展开进一步研究。谐振腔腔径比对空化流场的影响以腔长比为.的喷嘴作为研究对象，定义腔径比 ，改变，腔径比 取、.、.、.的流线分布如图 所示。图 腔径比 不同时的流线图 由图 可见，当腔径比为.时涡环结构对称性最佳，继续增加腔径比，涡环结构对称性变差。图 为喷嘴轴向含气率分布曲线图。图 中可见当腔径比为.时轴向含气率最高，可产生较好的空化射流效果。继续增加腔径比含气率下降。综上，当二级谐振腔腔长比为.，腔径比为.时，谐振腔涡环结构对称性好，射流速度较高，轴向含气率高，可产生较好的空化射流效果，有利于射流清洗效率的提高。图 喷嘴轴向含气率分布图第 期 于海涛，等：双腔室自振脉冲喷嘴空化射流数值模拟：靶距对空化流场的影响对二级谐振腔腔长比为.，腔径比为.的喷嘴，其射流靶距分别取 、，观察射流靶距对空化效果的影响。由图 可见，当靶距为 、时二级谐振腔未产生涡环结构，当靶距增加到 、时涡环结构出现，说明靶距会对二级谐振腔的内流场产生影响。图 不同靶距的流线图 图 是以喷嘴入口为原点的轴向含气率分布曲线图，当射流靶距取 、时，靶面位置坐标分别 为.、.、.、.。图 喷嘴轴向含气率分布图由图 可见，当靶距为 、时，含气率较低，且在二级谐振腔附近（大于 处）出现气相分布，结合图 可知，这是因为二级谐振腔未产生有效的自激振荡，射流高速穿过二级谐振腔时产生负压导致空化的产生。当靶距增加到 时，含气率明显提高，且二级谐振腔处气相分布消失，这是因为在该靶距下二级谐振腔产生了自激振荡，使来自一级谐振腔的射流振荡得到加强，提高了空化射流效果。继续增加靶距至 ，含气率无明显变化。图 为冲击靶面的滞止压力分布曲线图，其中，横坐标是以靶面中点为坐标原点，压力沿靶面垂直方向分布，靶面顶端坐标为 。机 械 科 学 与 技 术第 卷：图 壁面滞止压力分布图 图 为不同靶距下的静压分布云图，为了观察滞止压力对空化作用的影响，将所显示的最高压力设置为 。由图 中可见，靶面滞止压力能对轴向静压产生较大影响。结合图 可见，随着靶距减小靶面中心滞止压力迅速升高，当靶距从 减小至 时，滞止压力约有.的升高，由此可知，当靶距从 减小至 时，靶面产生的滞止压力过高，抑制了二级谐振腔涡环结构的产生，从而导致含气率降低。图中可见，随着靶距增加，靶面滞止压力梯度降低，分布范围增加。综上可知，射流靶距应至少 才可产生较好的空化射流效果，但靶距的增加会降低射流到达靶面的动能，因此最佳清洗靶距应取 。图 不同靶距的静压分布云图 结论）将双腔室喷嘴二级谐振腔腔长比分别取.、.、.、.的数值计算结果表明，当腔长比为.时，二级谐振腔内涡环结构对称性较好，射流速度较高，轴向含气率高，利于增强空化效果。）以腔长比为.的喷嘴为研究对象，腔径比分别取、.、.、.的计算结果表明，当腔径比为.时，二级谐振腔内的涡环结构对称性最好，轴向含气率高，该喷嘴结构可产生较好的射流清洗效果。）射流冲击靶面产生的滞止压力随靶距的减小而迅速升高。当靶距较小时，在靶面滞止压力的作用下二级谐振腔的自激振荡受到抑制，进而影响到气相的生成。当靶距达到 时，滞止压力大幅降低，对谐振腔的影响减弱，射流含气率提高。因此，为减少靶面滞止压力对空化效果的影响，射流靶距应至少取 。但随着靶距的提高射流到达靶面的动能会降低，因此最佳清洗靶距应取 。第 期 于海涛，等：双腔室自振脉冲喷嘴空化射流数值模拟：参考文献 ，：，：李根生，沈忠厚，周长山，等自振空化射流研究与应用进展中国工程科学，（）：，（）：（）李伟，张文全，施卫东，等缩放型喷嘴空化射流空泡云演化规律的试验研究排灌机械工程学报，（）：，（）：（）李敬彬，黄中伟，魏秀丽，等井底围压对高压水射流的影响规律研究石油机械，（）：，（）：（）奉虎，杨永印，王艳涛，等低压缩扩形喷嘴空化射流数值模拟及试验研究石油机械，（）：，（）：（），（）：，（）：张坤，陈颂英自激脉冲空化喷嘴三维非稳态流动的数值模拟 排灌机械工程学报，（）：，（）：（），：王萍辉，马飞自激振动空化射流振动分析试验机械工程学报，（）：，（）：（）李根生，沈忠厚风琴管自振空化喷嘴的设计原理石油大学学报（自然科学版），（）：，（）：（）戚美，王立夫，陈庆光，等双腔室自激振荡脉冲喷嘴空化射流的数值模拟排灌机械工程学报，（）：，（）：（）邓嵘，李向东，丰波双腔室自振脉冲喷嘴数值分析与实验研究 机械科学与 技 术，（）：，（）：（）蔡腾飞，潘岩，马飞，等喷嘴出口结构参数对风琴管射流空化作用的影响 机械工程学报，（）：，（）：（）唐川林，吴霞，胡东串联型脉冲喷嘴的实验研究湖南工业大学学报，（）：，（）：（），