自激低頻脈沖射流空氣噴嘴數(shù)值模擬與實驗研究*

梁晶晶，苑穎慧，夏美麗，閻托宇，陳芷涵，周 攀

(湖南人文科技學(xué)院，湖南 婁底 417000)

0 引 言

自激振蕩脈沖空氣射流依靠空氣噴嘴的特定結(jié)構(gòu)將連續(xù)射流轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖射流，它是一種新型的脈沖射流裝置。脈沖射流相對于連續(xù)射流具有瞬時沖擊力大、沖蝕性能強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于河道清淤、海底采礦、巖石切割等領(lǐng)域。在工程應(yīng)用中，將連續(xù)氣流轉(zhuǎn)換成脈沖氣流，可改變氣力泵進氣方式，提高自振脈沖氣力泵的清淤疏浚性能。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對自激振蕩脈沖射流的振蕩頻率進行了大量的理論分析和實驗研究。Morel等[1]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，噴嘴的固有頻率取決于噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在不穩(wěn)定剪切層中，渦流頻率與噴嘴固有頻率相近才能產(chǎn)生脈沖射流。Li等[2]建立了流體網(wǎng)絡(luò)理論，分析了噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對脈沖射流固有頻率特性的影響。Rockwell等[3]提出在振蕩腔內(nèi)，剪切層的不穩(wěn)定及反饋的擾動波放大是流體產(chǎn)生自激振蕩脈沖射流的重要因素。Johnson等[4]研究發(fā)現(xiàn)噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對脈沖射流的振蕩頻率及幅值特性具有很大的影響。唐川林等[5]依據(jù)水聲學(xué)和流體動力學(xué)原理，建立了脈沖射流頻率模型并推導(dǎo)出頻率計算公式。李曉紅等[6]通過數(shù)值仿真，研究了脈沖射流系統(tǒng)裝置頻率特性，結(jié)果表明系統(tǒng)固有頻率取決于噴嘴的形狀、結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)，腔長、壓力和速度對系統(tǒng)頻率特性影響很大。胡東等[7]為提高射流沖蝕性能，在自激振蕩脈沖水射流噴嘴中吸入空氣，使振蕩腔內(nèi)形成脈沖氣液射流。實驗表明腔長和進氣孔方式影響射流頻率和沖蝕特性。馬飛等[8]對圍壓下風(fēng)琴管射流的頻率特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)了特定噴嘴結(jié)構(gòu)下射流高頻自激頻率隨空化數(shù)變化的規(guī)律。周鑾良等[9]通過對高頻高速流體振蕩器內(nèi)部壓力傳播特性的實驗研究，建立了內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸與振蕩頻率的關(guān)系式，驗證了振蕩器內(nèi)部脈沖傳播與反射機制。

縱觀國內(nèi)外研究成果，大多是關(guān)于自激振動脈沖射流結(jié)構(gòu)參數(shù)、幅值特性、氣液射流和高頻率空化數(shù)方面的研究與探索，但是對于自激低頻振蕩脈沖空氣射流頻率特性很少有研究。因此，筆者利用空氣的可壓縮性，以純空氣為介質(zhì)，提出一種自振低頻脈沖空氣噴嘴設(shè)計方案，重點對振蕩腔內(nèi)流場速度脈動和振蕩幅度進行探討，通過數(shù)值模擬與實驗研究相結(jié)合，揭示了自激振蕩脈沖空氣射流產(chǎn)生機理，研究了空氣噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)及運行參數(shù)對脈沖射流產(chǎn)生的影響。

1 空氣噴嘴的模型建立

1.1 空氣噴嘴的幾何模型

自激低頻振蕩脈沖空氣射流以空氣噴嘴為研究對象，空氣噴嘴主要由上噴嘴、振蕩腔室、碰撞壁和下噴嘴組成?？諝鈬娮旌喕疽鈭D和空氣噴嘴網(wǎng)格簡化示意圖分別如圖1、2所示。振蕩腔長通過螺紋進行調(diào)節(jié)，噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)影響自激振蕩脈沖射流效果。

圖1 空氣噴嘴簡化示意圖 圖2 空氣噴嘴網(wǎng)格簡化示意圖

1.2 空氣噴嘴數(shù)學(xué)模型

假設(shè)在理想狀態(tài)下，流體在剪切層中的連續(xù)性方程為：

(1)

運動方程為：

(2)

分別對式(1)、(2)進行偏微分求導(dǎo)：

(3)

(4)

式中：Pr是擾動壓力，Pa；υr為擾動速度，m/s;ρw0為擾動流體密度；ρm為流體密度，kg/m3。

將式(3)、(4)方程微分求導(dǎo)得：

(5)

(6)

由式(5)、(6)可得：

(7)

(8)

根據(jù)波渦理論，自激振蕩脈沖射流頻率為：

(9)

(10)

2 Fluent數(shù)值模擬研究

2.1 網(wǎng)格劃分與邊界條件

采用ANSYS進行建模和網(wǎng)格劃分，選用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對振蕩腔拐角和圓柱段的網(wǎng)格進行加密處理，最終節(jié)點數(shù)為41 854，網(wǎng)格數(shù)為82 510。文中通過連續(xù)性方程和運動方程，計算出自激振蕩脈沖射流的振蕩頻率。運用Fluent數(shù)值模擬，在入口壓力初始化穩(wěn)定之后，研究腔內(nèi)速度變化規(guī)律。

采用Fluent數(shù)值模擬分析，設(shè)置模型邊界條件in為壓力入口，out為壓力出口，walls為壁面和噴嘴?？諝馐强蓧嚎s的，性質(zhì)采用理想氣體。

2.2 數(shù)值結(jié)果分析

自激振蕩脈沖空氣噴嘴的運行參數(shù)對脈沖射流產(chǎn)生重要的影響。通過Fluent數(shù)值模擬，探討在一定振蕩腔長下，不同入口壓力對自振脈沖空氣噴嘴振蕩腔內(nèi)速度變化的影響。

2.2.1 腔內(nèi)速度云圖變化

圖3為一定腔長下不同入口壓力的振蕩腔軸向截面速度云圖。從圖中可以看出，振蕩腔上噴嘴入口處、軸線附近和下噴嘴流體的速度顯著變化且分布不均。軸線兩側(cè)的低壓區(qū)明顯，并在中心線附近產(chǎn)生了渦環(huán)。渦環(huán)與下噴嘴壁碰撞并反饋回上噴嘴，與入口相同或相近頻率的初始渦環(huán)疊加放大。這是由于上噴嘴直徑小于下噴嘴直徑，壓力降低，速度增大，與下噴嘴碰撞壁碰撞，使得碰撞壁局部壓力增大，速度減小。在振蕩腔特定結(jié)構(gòu)下，流體產(chǎn)生的渦環(huán)經(jīng)過生成-反饋-放大，然后在下噴嘴出口產(chǎn)生脈沖射流。

圖3 速度云圖

Fluent數(shù)值研究表明：自激振蕩脈沖射流產(chǎn)生的機理是流體通過上噴嘴進入振蕩腔，與腔內(nèi)氣體發(fā)生動量交換，形成剪切層，在不穩(wěn)定剪切層作用下射流產(chǎn)生渦環(huán)。渦環(huán)運動到下游，與下噴嘴碰撞壁產(chǎn)生壓力擾動波，該擾動波反饋到上游，與剪切層分離處誘發(fā)相位一致的新擾動波疊加，對流體壓力、速度和流量阻抗呈周期性的脈沖效果，如此循環(huán)往復(fù)，形成周期性自激脈沖射流。

2.2.2 腔內(nèi)脈動速度變化

在一定腔長時，通過改變初始壓力，分析振蕩腔內(nèi)流場速度變化。如圖4所示為相同腔長下的初始入口壓力分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 MPa的振蕩腔內(nèi)流場速度變化圖。

圖4 脈動速度圖

在1 s周期內(nèi)，系統(tǒng)在初始化之后逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，大致在0.5～0.6 s之后，腔內(nèi)速度呈脈動周期變化。在0.2～1.2 MPa內(nèi)，振蕩腔內(nèi)流場速度隨入口初始壓力增加而增大，振蕩周期隨入口初始壓力增加而減小。振蕩腔內(nèi)流場軸心速度有明顯增大，附近低壓區(qū)產(chǎn)生渦環(huán)，隨著入口初始壓力增大，速度梯度變化范圍越大，渦環(huán)強度隨之增大，振蕩腔內(nèi)速度越大，流體沿程能量損失和沖擊能量損失越大。射流速度過大或振蕩腔徑空間過大易產(chǎn)生次生渦環(huán)。由于剪切層的不穩(wěn)定，次生渦環(huán)潰滅，原生渦環(huán)能量分散，達到穩(wěn)定速度脈動周期長，振蕩頻率減小。

通過對圖4速度-時間圖分析可知，在1 s內(nèi)，隨著入口壓力的增大，瞬態(tài)射流到達穩(wěn)定脈沖射流時間增長，振蕩頻率減小，振蕩腔內(nèi)速度和脈動速度幅值隨入口壓力增加而增大。1 s周期內(nèi)，與其他入口壓力相比較，0.4 MPa下射流瞬態(tài)時間最短0.5 s，速度脈動周期最多，振蕩頻率最快，速度脈動曲線變化更穩(wěn)定。綜合考慮，0.4 MPa為最佳入口壓力。

3 實驗驗證

3.1 實驗裝置及內(nèi)容

圖5為自激振蕩脈沖空氣射流實驗系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)由空氣噴嘴、空氣壓縮機、儲氣罐、壓力表、紅光、熱線熱膜風(fēng)速儀、壓力傳感器、信號采集儀和計算機組成?？諝鈮嚎s機壓力范圍0～1.5 MPa,壓力調(diào)節(jié)閥壓力分別為0.2、0.4、0.6 MPa。調(diào)節(jié)振蕩腔腔長，采用壓力傳感器和信號采集儀測量振蕩幅度。

圖5 自激振蕩脈沖空氣射流實驗系統(tǒng)示意圖

3.2 實驗結(jié)果分析

不同的入口壓力下，振蕩幅度與腔長的變化規(guī)律圖如圖6所示。在3種不同入口壓力下，腔長61～63 mm之間，振蕩幅度曲線隨腔長的增大，總體先上升后下降。腔長過長，流體沿程壓力損失大，產(chǎn)生自激振蕩射流不明顯，振蕩幅度減小。腔長過短，流體產(chǎn)生的渦量擾動直接從下噴嘴出來，無法形成自激脈沖射流。因此，存在一最佳腔長61.8 mm，脈沖射流效果最好，振蕩幅度最大。此外，在同一腔長下，不同入口壓力的振蕩幅度曲線變化相似，三條曲線基本在同一腔長61.8 mm，幅度達到峰值，隨后呈下降趨勢。入口壓力過大，射流壓力損失及沿程能量損失越大，幅度反而減小。在入口壓力為0.4 MPa時，產(chǎn)生振蕩幅度最大，實驗與數(shù)值模擬結(jié)果相符合。

圖6 振蕩幅度與腔長的變化規(guī)律圖

4 結(jié) 論

針對噴嘴運行參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對空氣脈沖射流的影響，采用了Fluent仿真模擬和實驗研究相結(jié)合的方式，對不同入口壓力下腔內(nèi)流場速度的變化進行分析，得出以下結(jié)論。

(1) 基于流體動力學(xué)和流體共振學(xué)理論，運用Fluent軟件對流體內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，研究表明，在一定腔長內(nèi)，不同入口壓力下，振蕩腔內(nèi)有明顯渦旋和速度梯度變化，揭示了自激振蕩脈沖射流產(chǎn)生機理。

(2) 在相同工況下，入口壓力為0.4 MPa時，從瞬態(tài)流到達穩(wěn)態(tài)脈動射流后，速度脈動周期最多，振蕩頻率最快，速度脈動曲線更穩(wěn)定。

(3) 實驗研究表明，在相同工況下，存在一個最佳腔長61.8 mm，產(chǎn)生的脈沖射流幅度最大，脈動射流效果最好。

(4)研究結(jié)果為自激振蕩空氣噴嘴的優(yōu)化設(shè)計提供了指導(dǎo),為空氣噴嘴脈沖射流在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。