雙腔自激振蕩器結構優化分析

劉承婷 尹井奇

摘 ? ? ?要：以雙腔自激振蕩器為研究對象，通過工程流體模擬軟件建立了雙腔自激振蕩器模型。并且針對不同結構的雙腔自激振蕩器的自激震蕩效果進行仿真模擬，邊界條件采用壓力入口并且設定初始壓力為10 MPa，對比二級諧振腔碰撞角α分別為90°、105°、120°、135°、150°、出口直徑d3分別取4.6、5.0、5.4、5.8、6.2 mm、二級諧振腔腔徑D2分別取30、35、40、45、50 mm等不同工況進行了仿真分析，通過觀測峰值速度，對比速度云圖得到雙腔自激振蕩器最優的結構參數。

關 ?鍵 ?詞：雙腔自激振蕩器;結構參數;仿真分析;峰值速度

中圖分類號：TE93 ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2019）12-2892-04

Abstract： A model of double-cavity self-excited oscillator was established by using engineering fluid simulation software. And the self-excited oscillation effect of double cavity self-excited oscillator with different structures was simulated through taking pressure inlet as boundary conditions and setting the initial pressure of 10 MPa. When the secondary cavity collision angle alpha was respectively 90°， 105°， 120°， 135°， 150°， and outlet diameter d3 was respectively 4.6，5.0， 5.4，5.8， 6.2 mm， secondary resonator cavity diameter D2 was respectively 30， 35， 40，45，50 mm， simulation analysis was carried out. The best optimal structure parameters of the double-cavity self-excited oscillator were obtained by observing peak velocity and comparing the velocity nephogram.

Key words： Double-cavity self-excited oscillator; Structure parameters; Simulation analysis; Peak speed

近幾年來我國大部分油田已經進入開發中后期，油田含水率不斷升高，大量油田實驗和實踐表明，通過周期注水可以大幅度提高油田采收率，而自激振蕩器射流噴嘴是可以將連續的射流改變為周期性射流的脈沖發生裝置，可以應用于周期注水開發。李曉紅等人通過對脈沖射流的設計和原理的分析，初步建立了磨料在射流中的運動模型，設計了一種磨料射流噴嘴[1];楊涵對噴嘴的內部流場進行數值模擬分析，研究噴嘴結構參數對噴嘴性能的影響，在此基礎上設計出一種新型集中式旋轉空化射流噴嘴[2];劉梓光通過應用瞬態流、水聲學和流體共振等理論及流體阻抗法，理論分析了自激振動空化射流與風琴管自激振動空化噴嘴的工作原理、產生強烈自激振動空化射流的風琴管諧振腔的特性、噴嘴內流動特征方程及風琴管諧振腔長度計算公式[3];李浩設計了一種自進式射流噴嘴，并且通過單孔、多空、單孔旋轉等流場的分析，從而為優選徑向水平噴嘴提供了依據[4];蔣世全等人通過對串聯型自激振蕩噴射流壓力特性的實驗研究，得出了提高射流沖擊壓力的破碎巖石效率的結構[5];然而雙腔自激振蕩器沖蝕效果明顯優于單腔室赫爾姆霍茲;于是本文筆者對雙腔自激振蕩器進行仿真模擬，通過對不同結構參數的自激振蕩器震蕩效果對比從而得到雙腔自激振蕩器的最優結構。

1 ?幾何模型的建立與網格劃分

1.1 ?物理模型的建立

本文以雙腔室自激振蕩器為模型，結構圖見圖1，其中水流經過管線由上噴嘴進入一級震蕩腔產生初始脈沖再經二級諧振腔震蕩并使一級震蕩腔來流壓力擾動增強從而得到更強的脈沖射流。本文通過三維建模更加直觀的進行雙腔自激振蕩器的內部流場仿真模擬。

1.2 ?CFD網格劃分

根據雙腔自激振蕩器結構和網格應用情況綜合考慮，應用icemCFD軟件采用四邊形結構網格對雙腔自激振蕩器模型進行網格劃分，結構網格可以很容易地實現區域的邊界擬合，對曲面或空間的擬合大多數采用參數化或樣條插值的方法得到，區域光滑，與實際的模型更容易接近，所以能更好的處理邊界區域，本文模型建立所劃分的網格如圖2所示。

本文模擬采用的結構參數如下：其中入口直徑d1=5 mm;入口到一級震蕩腔長度La=5 mm;一級震蕩腔長度Lb=15 mm;一級震蕩腔腔徑D2=35 mm;一級震蕩腔與二級諧振腔之間管路直徑d2=10;直徑Lc=5 mm;二級諧振腔腔長Ld=20;二級諧振腔腔徑D2分別取30、35、40、45、50;二級諧振腔碰撞角α分別取90°、105°、120°、135°、150°;出口直徑d3分別取4.6、5.0、5.4、5.8、6.2 mm。

1.3 ?邊界條件的設定

應用FLUENT軟件進行三維流場分析：入口采用壓力入口pressure-inlet，假設壓力恒定為10 MPa;出口采用壓力出口pressure-outlet，出口壓力為0（1個大氣壓）;壁面條件設置為無滑移邊界條件。并且考慮到重力影響，外加豎直向下的重力加速度9.81 m/s?。

2 ?數學模型的建立

3 ?結果分析與討論

3.1 ?碰撞角對射流效果的影響

在入口壓力設置為恒定10 MPa，入口直徑d1為5 mm，二級腔徑D2位40 mm出口直徑d3為5.4 mm條件下，對比不同碰撞角對射流效果的影響。碰撞角α分別為90°、105°、120°、135°、150°時。射流初期水流由入口進入雙腔自激振蕩器一級震蕩腔發生震蕩產生負壓腔進而射流與腔壁發生碰撞形成以射流入口中心線為中心的雙側對稱的渦環，產生的壓力擾動由一級震蕩腔初步放大進入二級諧振腔，經過放大的壓力脈沖進入二級諧振腔進一步增強，并與帶有一定角度的碰撞壁發生碰撞形成更大的渦環從而產生更強的射流脈沖。對比不同碰撞角度的速度云圖，可以看出當碰撞角α為度時形成明顯的渦環，并且相比于其他四種角度更為規律，能量損失更小，從而可以得到更強的射流脈沖。為了更直觀的對比不同碰撞角對射流的影響，本文通過觀測不同碰撞角度的峰值速度來選取最優碰撞角。雙腔自激振蕩器射流速度云圖見圖3-7。

由不同碰撞角與峰值速度的對應關系可以看出90°時峰值速度較105°、135°、150°時高較120°時低，105°和135°比較接近，并且120°時峰值速度最大，由此可以看出當碰撞角為120°時可以取得最大峰值速度，所以最佳碰撞角為α=120°。此時射流能量損失較小，渦環也更為規律，這樣不但可以獲得更強的射流脈沖可以減少設備延長自激振蕩器使用壽命。不同碰撞角所對應的峰值速度見表1。

3.2 ?諧振腔腔徑對射流效果的影響

其他條件同上并且保留最佳碰撞角α=120°，改變二級諧振腔腔徑來研究腔徑對射流效果的影響。二級諧振腔D2分別為30、35、40、45、50 mm時由圖可以看出二級諧振腔腔徑D2=30、35、40 mm時可以形成較為明顯的渦環，其中二級諧振腔腔徑D2=40 mm時渦環更為明顯而且最為規律，隨著二級諧振腔腔徑的增大當二級諧振腔腔徑增大到D2=45和D2=50 mm時就不能形成渦環，射流沿著帶有傾斜角的碰撞壁呈發散狀。雙腔自激振蕩器射流速度云圖見圖8-12。

由諧振腔腔徑與峰值速度的對應關系可以看出當二級諧振腔腔徑D2=30和D2=35 mm時峰值速度比較接近，隨著二級諧振腔腔徑的增大達到D2=40mm時峰值速度明顯高于其他四種工況，隨著二級諧振腔腔徑進一步增大達到D2=45和D2=50 mm時峰值速度明顯小于D2=30、35、40 mm。由此可知二級諧振腔的最佳腔徑為D2=40 mm。不同二級諧振腔腔徑的峰值速度見表2。

3.3 ?下噴嘴直徑對射流效果的影響

保留以上討論結果，采用碰撞角α=60°、二級諧振腔腔徑D2=40 mm，改變下噴嘴直徑，并對射流效果進行對比。下噴嘴直徑d3分別為4.6、5.0、5.4、5.8、6.2 mm時，可以看出下噴嘴直徑較小d3=4.6和d3=5.0 mm時射流沖擊碰撞壁產生的射流脈沖不能及時輸出雙腔自激振蕩器而干擾射流脈沖在二級諧振腔的進一步加強，而隨著下噴嘴直徑的增大d3=5.4 mm射流在二級諧振腔內自我干擾減弱，射流脈沖強度提高，在下噴嘴直徑達到d3=5.8 mm時渦環最為明顯，隨著下噴嘴直徑進一步增大，在達到d3=6.2 mm時，由一級震蕩腔進入二級諧振腔的射流不能有效沖擊碰撞壁從而導致能量損失較大不能形成較強的射流脈沖。雙腔自激振蕩器射流速度云圖見圖13-17。

由下噴嘴直徑與峰值速度對應關系可知當下噴嘴直徑d3 =4.6 mm時峰值速度較小，當下噴嘴直徑d3 =5.0、5.4 mm時峰值速度相差不大，在下噴嘴直徑為5.8 mm時峰值速度達到最大，當下噴嘴直徑d3 = 6.2 mm時由于能量損失較大導致峰值速度明顯低于其他工況。下噴嘴直徑與峰值速度的關系見表3。

4 ?結論

本文采用標準的 模型對雙腔自激振蕩器進行了數值模擬得出了以下結論：

（1）由文中仿真模擬云圖可以看出雙腔自激振蕩器內形成了明顯的渦環，壓力、速度符合漩渦碰撞理論和脈沖射流發生機理。

（2）雙腔自激振蕩器的碰撞角、二級諧振腔腔徑、下噴嘴直徑對射流效果影響較大，其中碰撞角α=60°、二級諧振腔腔徑D2 =40 mm、下噴嘴直徑d3 =5.8 mm時射流峰值速度最大，優化后的雙腔自激振蕩器的結構參數可以作為射流發生器的設計準則。

參考文獻：

[1] 李曉紅，王建生，盧義玉，等.脈沖磨料射流的基本理論與試驗[J].中國安全科學學報，1999（ S1） ： 86-104.

[2] 楊涵. 空化射流噴嘴流場數值模擬研究[D].成都：西華大學，2015.

[3] 劉梓光. 用于清洗的空化水射流噴嘴的實驗研究[D].天津：天津科技大學，2009.

[4] 李浩. 水力噴射徑向水平井噴嘴流場數值模擬與測試[D].北京：中國石油大學（北京），2016.

[1] 李曉紅，王建生，盧義玉，等.脈沖磨料射流的基本理論與試驗[J].中國安全科學學報，1999，（ S1） ： 86-104.

[5] 蔣世全，廖榮慶，焦培林.串聯型自振脈沖射流噴嘴的實驗研究[J].天然氣工業，1995（03）：51-53.