振蕩射流研究進展

吳夢維，徐敏義，米建春,

1.北京大學 工學院，北京 100871 2.大連海事大學 輪機工程學院，大連 116026

0 引 言

射流控制技術在流動分離[1-2]、流體混合[3-4]、對流換熱[5-6]和微流量測量[7-8]等多個領域發揮著重要作用，是流體力學領域的熱點研究方向之一。自然未經控制的射流分直流和旋流2 種，前者初始只有軸向動量，而后者初始不僅有軸向動量，還有橫向動量或角動量。直流射流在近場區橫向交換輸運慢，很難與周圍流體快速混合，無法滿足一些工業過程的需求[9-11]。要使直流射流實現有效的橫向卷吸和流體混合，需在噴嘴出口或上游實施某種控制使射流有橫向動量或角動量，使之橫向間歇式和周期性地“動起來”。例如，讓射流做振蕩[12-15]、拍打[16-17]、旋轉[10,18]、旋進動[19-21]等運動，這里將以上射流統稱為振蕩射流（oscillating jet）。

從本質上講，振蕩射流是一種雙穩態的流動，這意味著在一定的參數范圍內，流動可以在2 個不同的穩定狀態之間轉換。這種雙穩態流動在隨機的擾動下會趨于其中一個穩態，從而產生周期性的自激振蕩行為。為探索振蕩射流的運行機制，大量學者通過實驗和理論分析的方式對振蕩射流進行了研究[22-27]。Rockwell 等[22-23]詳細綜述了自激振蕩在湍流自由剪切層中的表現，發現在振蕩射流中，不穩定性通常源于剪切層的形成和發展。當流動經過噴嘴時，高速氣流與靜止氣流之間的剪切作用導致了剪切層的生成。隨著流動的發展，剪切層中的擾動逐漸放大，從而導致Kelvin-Helmholtz 不穩定性的出現。這種不穩定性使流動中的渦旋結構發展并相互作用，導致流動在不同的穩態之間轉換[24-25]。同理，如果進行特定的結構設計或人為在噴嘴出口施加擾動便可以控制自激振蕩射流的形成和發展。進一步，Juniper[26]探討了限制條件對射流穩定性的影響，發現限制條件不僅會導致振蕩射流的產生，還會對其振蕩頻率和幅值產生影響。此外，El-hak[27]對幾種常見的流體控制方法（包括自激振蕩射流及其作用機制）進行了詳細的闡述，發現對射流進行高效控制有助于提高燃燒效率和降低噪聲。

20 世紀70—90 年代，涌現了大量射流控制方面的研究，包括主動和被動控制技術[28-36]，如進行主動控制的音頻激勵[28]和涉及移動部件的機械式激勵[29-31]等。需要指出的是，雖然已經證明這些主動激勵控制技術在實驗室中對射流流動機理和混合特性的基礎研究非常有效，但控制裝置的大小、重量及其對運行條件和日常維護的嚴格要求極大限制了它們的工業應用，特別是在涉及高溫燃燒的工業領域。在實際工業過程中，射流控制需要設備操作簡單、不涉及移動部件、可適應各種惡劣條件，并且效率高、能耗低。鑒于此，多種被動控制的自激振蕩射流噴嘴應運而生，例如反饋式射流噴嘴[10,32]、旋進式射流噴嘴[11,33]、振蕩射流噴嘴[34-35]、拍打射流噴嘴[17]和“哨聲”噴嘴[36]等。這些射流裝置可自發誘導射流周期性振蕩，使射流變為自激振蕩射流。另外，有些自激振蕩射流裝置可以通過改變噴嘴幾何結構（如大小、比例尺度）來改變射流振蕩頻率，從而改變射流的流動特性[37]。大量實驗[11,33-38]證實：與傳統直流和旋流射流相比，這些自激振蕩射流顯著增強了射流的大尺度混合，有利于優化某些實際工業過程的控制，使之更加節能高效。但這類自激振蕩射流裝置在實際運行過程中幾何結構和尺寸都是固定的，很難隨時、任意改變，故其噴射范圍和混合特性都無法靈活調節，不適合用于初始運行條件不斷變更的工業過程，如變負荷的工業燃燒等。

綜上，振蕩射流是一種具有廣闊應用前景和發展潛力的技術，尤其在當前全球能源緊缺，世界各國積極推進“碳中和”的大背景下，振蕩射流技術作為一種推進能源高效利用的關鍵技術，應當受到更多的重視，得到更多的發展。但現有的振蕩射流技術，無論是主動控制技術還是被動控制技術都存在一定的局限性，如何發展更高效的振蕩射流技術是目前擺在眾多研究者面前的問題。在思考這個問題之前，對振蕩射流技術的發展現狀進行一個全面總結是十分必要的。過去也有學者對振蕩射流進行了綜述[39-41]，但是這些文章只涉及到兩三種振蕩射流的流動數據和應用方面的對比，目前還未見任何綜述文章系統地對各種振蕩射流進行歸納總結和分類。

本文首先對7 種振蕩射流的研究和發展現狀進行綜述，分析相關技術工業應用的局限性；然后，闡述這些振蕩射流的產生方式和部分研究成果；最后，提出振蕩射流技術存在的問題及工業應用的建議。

1 振蕩射流的研究現狀與分類

1.1 振蕩射流的國內外研究現狀

國外關于振蕩射流的研究開始較早，二十世紀七八十年代經歷一段快速發展期后，一些相關技術已經在工業生產中得到應用[42-43]。斯坦福大學[44-47]、佐治亞理工學院[48-49]、新南威爾士大學[31]和阿德萊德大學[50-51]等高校在誘導振蕩射流方面做了很多原創性工作，為振蕩射流的研究和理論分析奠定了基礎。新南威爾士大學的Davis[31]首先提出了利用微射流對主射流進行控制，并研究了微射流的速度和噴嘴直徑變化對作用效果的影響，發現了2 種作用機制。一是微射流速度適中時，主射流未被穿透或嚴重扭曲，主射流受影響不大。在這種情況下，微射流的作用是提高主射流湍流區的混合率，并使局部速度降低約30%，主射流速度的減小與微射流速度的二次方和微射流尺寸的三次方有關。二是微射流作用發生在較高的速度下，微射流穿透主射流的勢流核心，并引起了主射流截面從圓形到顯著扭曲的變化。但是主射流的局部速度對微射流速度不太敏感，只有當微射流非?？拷鲊娮斐隹跁r，主噴嘴的質量流量才會受到顯著影響。斯坦福大學的學者[44-47]研究了在噴嘴出口處適當結合軸向和周向激勵所產生的分叉和噴射射流。在恰當的激勵下，射流可以被分成2 個獨立的射流（分叉射流），每個射流攜帶一半的軸向動量，并以類似于單一射流的方式擴散。也可以產生三分叉射流或者射流爆炸成旋渦環簇的遠場流，分叉和爆炸的射流表現出比正常射流更大的混合，具有廣闊的應用前景。阿德萊德大學Luxton 和Nathan[21]開發的自激旋進動射流噴嘴，以及后來米建春等[50-51]發明的多種形式（包括微小射流對主射流的初始側向擾動激勵）的振蕩射流在工業窯爐中得到了應用。在2 MW 水泥回轉爐上的實際運行測試表明：與傳統的多股射流燃燒器相比，自激振蕩射流燃燒器降低了約40%～60%的NOx排放，同時還提高了8%～10%的水泥產量，換言之，節約了燃料的消耗并降低了CO2的排放。在煤粉燃燒的應用中也發現振蕩射流能減少約30%的NOx排放，節約5%的燃料并且大幅縮短著火距離[42-43]。

國內關于振蕩射流的研究起步較晚，目前主要是哈爾濱工業大學、國防科技大學、上海交通大學、北京航天航空大學和西北工業大學等高校對振蕩射流的機理及其在矢量控制和對流換熱等方面的應用做了一些研究。哈爾濱工業大學周裕團隊主要研究了不同噴射夾角和頻率的側向微射流激勵器（單個或多個）對直流主射流的影響，分析了微射流和主射流的耦合過程以及主要影響物理因素，并且構建了一套自己的控制系統[52-55]。國防科技大學的羅振兵團隊對合成射流控制主射流矢量的過程和機理進行了大量研究，通過研究不同傾角合成射流（單個或多個）對主流矢量的影響，實現了主射流矢量偏轉角可控的振蕩[56-57]。上海交通大學劉應征團隊在反饋腔體誘導的振蕩射流方面做了一些出色的工作，研究了射流振蕩器內部幾何結構和振蕩頻率等對流動特性的影響[58-61]。

總體而言，對于振蕩射流的研究，前人已經做了大量工作。雖然國內關于振蕩射流的研究起步較晚，但是近年來隨著航天航空、低碳燃燒等相關工業技術的迅速發展和國家對基礎學科發展的逐漸重視，國內相關技術的研究已經基本接近或達到國際先進水平。但是，國內在振蕩射流的成果轉化方面與國外還存在一定的差距，因此建議國內進行基礎研究的同時也應積極推進振蕩射流的成果轉化及實踐應用。

1.2 振蕩射流激勵方式的分類

圖1 振蕩射流激發方式分類Fig.1 Classification of oscillating jet excitation modes

反饋式的激勵方式通常被認為是利用反饋腔中的壓力波傳遞來驅動射流的振蕩[62-64]，也有一些學者認為振蕩產生的原因是受到了分離渦的擠壓[65-66]。鈍體-V 形噴嘴的驅動原理和反饋式相似只是結構不同，射流振蕩發生的位置在混合腔內[67-68]；當射流沖擊V 形板時會發生周期性的振蕩，利用這個原理可以制作微型流量計來檢測微流量流動時的流速[8]；從狹縫噴出的射流進入突擴腔體會誘發射流做自激拍打運動[16,21]；射流和柔性薄膜互相作用也會引起射流的振蕩運動[17,38]。下文將分別介紹以上7 種激勵方式，為讀者了解相關領域發展提供參考。

2 振蕩射流的主要激發方式

2.1 微射流

微射流誘導產生的振蕩射流是一種通過交替吹吸周圍流體或壓縮空氣裝置產生微射流來誘導主射流振蕩的方式。研究最多的是通過活塞往復運動、壓縮空氣瓶、音頻激勵器和腔體內膜片振動產生的微射流。圖2 展示了產生微射流的4 種主要方式，圖2（a）[69]通過控制步進電機使活塞在氣缸內以近似正弦函數的時間周期函數振蕩，進而在出口產生周期性吹吸的微射流。圖2（b）展示了哈爾濱工業大學大周裕團隊[53]常用的一類由壓縮空氣供應產生的微射流，該微型射流器由電磁閥控制，最大頻率可達1 kHz。電磁閥由0～5 V 方波信號的直流電源驅動，電源可調節空氣噴射頻率，最高可達500 Hz[53-55]。圖2（c）[70]是由音頻激勵產生微射流的方式，這種方式將揚聲器密封在只有一個出口的腔體內，通電后揚聲器的紙盤會上下振動在腔體出口產生壓力脈沖微射流。有實驗表明，由正弦電流音頻激勵在腔體出口產生的流動也是一種相位延遲的正弦波振蕩射流，這類微射流出口的進一步流動描述可參考文獻[48-49,71]。圖2（d）[72]是一種產生微射流的新方式，該裝置由兩端被壓電膜片（PZT）隔開的2 個密封腔體、2 個出口和一個滑塊（SB）組成。工作時，壓電膜片在電流的驅動下來回振動。當膜片向右運動時，右側腔體內的流體被壓縮排出，同時左側腔體內的流體開始膨脹并將周圍流體吸入腔體；當膜片向左運動時，情況則相反。左右腔體產生的微射流始終有180°的相位差。

圖2 微射流產生方式Fig.2 Microjet generation modes

通過微射流誘導振蕩射流時，微射流的出射方向不同，誘導射流的原理也略有不同。如圖3（a）[73]所示，微射流與主射流之間有一個夾角，此時主射流在橫向上的振蕩由微射流在橫向上的動量交換所誘導。值得注意的是，微射流的速度和尺寸對能否誘導主射流振蕩至關重要。在其他條件相同的情況下，主射流和微射流間的夾角發生變化會影響二者交匯的位置，進而對二者的相互作用產生影響[73]。圖3（b）[74]展示了微射流平行于主射流的方式，此時微射流的吹吸過程會導致主射流一側壓強降低并發生偏轉。另一種則是微射流從噴嘴出口徑向作用于主射流，二者是垂直的（圖3（c）[54]），此時通過控制微射流的大小、個數、相位差等就可以實施對主射流的控制。值得注意的是，圖3（c）所示方式不僅可以產生振蕩射流，還可以控制主射流激發多種模態。

圖3 側向微射流與主射流射出方向示意圖Fig.3 Schematic diagram of the direction of lateral microjet and main jet

為了讓讀者對振蕩射流有一個更直觀的印象，選取了一些實驗流動顯示和數值模擬計算的云圖進行展示，如圖4 所示。圖4（a）[74]展示了在主射流上側有一個可控微射流時（對應圖3（b）），一個周期內振蕩射流運動的紋影圖（t 為時間，T 為時間周期）?？梢钥闯觯簺]有微射流時，主射流基本沿噴嘴軸線方向向下游直流發展。隨著微射流的開啟，主射流向上偏轉，在到達最大偏轉角度（約30°）后逐漸恢復至軸線位置。圖4（a）中只有一個微射流在作用，所以主射流只在軸線的一側進行振蕩。如果有2 個微射流對稱布置且相位差設定合適，便可以實現主射流在噴嘴出口的整個范圍內進行振蕩。圖4（b）[69]顯示了2 個微射流同步驅動和矢量驅動時的平均動能，當合成射流同步驅動時，在兩側誘導了2 個關于主射流軸對稱的反向渦，射流主體依舊沿軸線向下游發展。圖4（b）右圖顯示了一個有趣的現象：在低位微射流被驅動時，未控制側的回流區會產生更大的壓差，這個回流區也卷成一個與微射流產生的渦流大致對稱的反向旋轉渦流，且射流主體向微射流側偏轉。圖4（a）和（b）展示是微射流平行主射流射出的流場情況，這種情況下的射流振蕩是由壓差作用所引起的。圖4（c）[53]則顯示了圓形自由射流和在徑向施加微射流進行控制的流動結構，從圖中可以看出：自由射流出現了明顯的渦脫落現象并沿出口軸線向下游發展，而徑向施加了微射流進行控制的射流主體未表現出大尺度的擬序結構，且會上下交替振蕩。從圖中的煙霧濃度也可以看出微射流誘導的振蕩射流煙霧擴散面積更大、濃度更低，即振蕩射流可以有效增強射流主體和環境流體的混合。

圖4 流場顯示和應用示意Fig.4 Flow field display and application diagram

2.2 機械式

機械式振蕩射流的主射流在外部機械裝置帶動下產生振蕩運動。如圖5（a）[75]所示，這類機械裝置繞自身軸線進行旋轉，同時主射流的出口與機械裝置的旋轉軸有一個夾角。這種方式可以使整個射流進行大規模的低頻振蕩，從而增強流動的大尺度混合，已被應用于工業燃燒器。Schneider 等[19,20,76]利用激光多普勒風速儀（LDA）和微型四孔“眼鏡蛇”皮托管探針研究了振蕩射流場中的速度和壓力，發現射流從噴嘴螺旋狀流出，在回流區周圍形成螺旋狀。圖5（b）展示了用LDA 系統測量的相位平均軸向速度云圖，從圖中可以看出：在x/d=2（x 為軸向距離，d 為噴嘴直徑）處有一橢圓形的核心區域，且在“背風”一側存在軸向的向上流動；存在2 個截然不同的反向流動區域，一個在射流和旋轉軸之間，另一個在射流的外緣。在x/d=4 和6 處，軸向位置存在射流與旋流軸（中心回流）之間的相均逆流區。在x/d=8 和12 處回流區消失，流場幾乎是軸對稱的。進一步的，如圖5（c）顯示的時間平均速度分量所示，回流在4 ≤ x/d ≤ 6 區域最強，其直徑范圍約為噴管出口直徑的2 倍，射流在回流區周圍振蕩。有趣的是，隨著軸向距離增加，速度輪廓變得更加均勻，且在x/d=8～12 范圍內流動的徑向范圍并沒有顯著增加。如圖5（d）所示，8 ≤ x/d ≤ 12 區域的正徑向時間平均速度非常??；靠近旋轉軸的負徑向分量表示凈流入，即流入再循環區域。切向時間平均速度分量（圖5（e））在射流的初始區域顯著。但在r/d > 6 的區域，整體的切向分量可以忽略不計。此外，Nobes[77]還利用平面Mie 散射技術測量了振蕩射流的標量（混合分數）場，顯示了近場螺旋流的更多細節。他們捕捉到了一個在近場螺旋流內以類似橫流中的射流的方式反向旋轉的渦對，發現對于較寬范圍的無量綱旋轉頻率（Strouhal 數）而言，近場螺旋流在進行大約一圈螺旋后就會“崩塌”，繼而進一步向下游發展，射流過渡到類似于簡單射流的狀態。米建春等[75]使用熱/冷絲組合探針對機械式振蕩射流在Strouhal 數為0.02 時的速度場進行了較為詳細的分析。

圖5 機械振蕩射流示意圖Fig.5 Schematic diagram of mechanical oscillating jet

2.3 反饋式

反饋式振蕩射流激勵器是一種不使用任何運動部件并且具有穩定流體供應的振蕩射流裝置。Woszidlo 等[62]根據反饋通道的數量將反饋式振蕩射流激勵器分為無反饋通道、單反饋通道和雙反饋通道3 類，如圖6 所示。圖6（a）[78]為無反饋通道的激勵方式，該方式先將1 股流體分成2 股，然后以一定角度進入混合室發生碰撞，由此產生的剪切層不穩定性將導致射流主體在出口大規模振蕩。圖6（b）[79]為只包含1 個反饋回路的振蕩射流激勵器，當射流附著在一邊時會產生低壓，通過反饋通道將射流吸引到另一邊，因此振蕩行為主要由反饋通道的幾何形狀和尺寸決定。值得注意的是，圖中振蕩射流激勵器出口處虛線輪廓的分離器是非必須的，它的存在與僅否決定出口是離散的還是連續的，如果沒有分離器，射流便做連續的掃掠運動。圖6（c）[80]為雙反饋通道振蕩射流激勵器，振蕩機制為流體從主射流通過反饋通道轉到振蕩進口，在此導致主射流向另一側翻轉，進而產生連續的振蕩。

阿里是老巴的長子。東亭的路邊是他玩耍的場地。以前這里只有土路，不走汽車。家里也從不擔心他會被車撞著。搬來東亭的新戶最先認識的人差不多就是阿里。阿里見到陌生人，總是先打招呼。阿里說：“我叫阿里?！?/p>

圖6 不同類型反饋式振蕩射流激勵器Fig.6 Different types of oscillating jet exciter with feedback

日常生活中最常見的一種是反饋式振蕩射流激勵器是擋風玻璃清洗機的液體噴嘴[81]。這種振蕩射流激勵器產生的掃掠射流相對于穩定射流擴散角更大、分布更均勻，可有效改善表面濕潤性，減少風擋雨刷葉片的磨損。噴霧宏觀特性和噴霧粒徑分布對控制這些噴嘴的表面潤濕性和優化其作為擋風玻璃清洗液噴嘴的性能具有重要意義。圖7[63]展示了無反饋式振蕩射流激勵器的示意圖、高速紋影系統拍攝和數值模擬的振蕩過程。從圖7（b）可以看到：噴霧隨時間變化的運動軌跡，噴霧在噴嘴出口向兩側交替抖動擺角為53.45°。圖7（c）為利用三維聯合仿真模型模擬扇形掃掠噴霧的噴霧形態和振蕩過程所得結果，從圖中可以清晰地看到振蕩射流的運動過程和流場顯示，更加細致的結果見文獻[63]。

圖7 無反饋激勵射流[63]Fig.7 Non-feedback excitable jet[63]

圖8 顯示了Guyot 等[64]設計的帶有振蕩射流激勵器的鈍體燃燒器示意圖和該燃燒器典型火焰的照片。鈍體由一個環狀結構支撐，主燃料通過40 個鉆孔注入，每個鉆孔直徑1.1 mm，沿固定在鈍體上游端的一根管子等距離分布。旁通氣流將燃料帶入鈍體下游的再循環區內燃燒，如圖8（c）所示，燃燒實驗中的錨定火焰在鈍體下游端的回流區。Guyot 等的結果顯示：在沒有振蕩射流激勵器進行燃料調制時，燃燒室具有較強的低頻燃燒不穩定性，采用燃料調制可降低某些振蕩頻率下的燃燒不穩定性。圖8（d）為單反饋回路振蕩射流的詳細工作機制。由于“科恩達效應”，射流通過控制端口并附著到壁面一側（較低的一側）[64]。當主射流通過出口1 流出時，流體從上反饋通道的下游端夾帶，導致該反饋通道中的吸入朝向出口1。因此，低壓波通過反饋通道傳回控制端口，將射流從腔室的一側切換到另一側，即出口2，這樣2 個出口都產生了振蕩射流，并不斷來回切換。

圖8 單反饋振蕩射流激勵器燃燒裝置及工作機制[64]Fig.8 Combustion device and working mechanism of single feedback oscillator[64]

在3 種反饋式振蕩射流中，雙反饋振蕩射流的研究最多，獨特的連續振蕩特性使其在流動分離控制[82-84]、氣動減阻[85-86]、噪聲控制[87-88]和燃燒減排[12,89]等領域獲得廣泛應用。研究發現腔體的形狀和尺寸均會對振蕩頻率和應用效果產生影響。Hossain 等[90]采用數值模擬的方法研究了8 種不同的射流出口扇形角（θ=0°～130°）對沖擊換熱性能的影響（圖9（a）），發現由于額外的熱空氣夾帶，振蕩射流使主射流顯著升溫，自由射流區湍流強度也隨之增加，局部混合因此增強，從而增強了剪切層的局部傳熱速度。隨著噴嘴出口扇形角增大，撞擊壁面平均換熱變差，傳熱均勻性（冷卻均勻性）變好。Seo 等[13]研究發現反饋通道長度對振蕩頻率的影響可以忽略不計，但對振蕩振幅有明顯影響（圖9（b））；并在此基礎上，研究了混合室長度對射流振蕩頻率的影響，發現雖然腔室長度（或入口與出口間的距離）越長，射流振蕩頻率越低，但頻率并不與腔室總長度成反比。Ostermann 等[91]對比了反饋腔體為彎角和直角時流動特性的變化：彎角腔體出口射流的偏轉角度更大，但是外部流場中流體非均勻分布；相比之下，直角腔體偏轉角較小，流體分布更均勻，如圖9（c）所示。因此，在實際應用中可根據需求結合這2 種振蕩器各自的特性進行合理選擇。

圖9 反饋式腔體相關研究示意圖Fig.9 Schematic diagram of feedback cavity related research

2.4 鈍體-V 形激勵器

鈍體-V 形激勵器利用鈍體堵塞塊誘導射流在振蕩器腔內振蕩，然后從兩側的V 形通道交替噴出形成分叉射流。由于其特定的結構設計，鈍體-V 形激勵器可以有效地穩定火焰，被應用于許多燃燒裝置中[67]。黃榮芳團隊做了較多關于鈍體-V 形激勵器誘導振蕩射流的工作，發展了一種帶有伴流氣流的鈍體-V 形燃燒器（圖10（a）[9]），對分叉射流的火焰行為、長度和溫度分布進行了實驗研究。圖10（b）[68]為進一步改進的裝置，即將堵塞塊變為新月形，且為了讓分叉射流在中心匯集，又在出口處添加了2 個短板。其工作原理是首先引導平面射流沖擊封閉在流體振蕩器腔內的新月形表面，腔體的幾何構型將射流從對流不穩定轉化為絕對不穩定，使射流相對于腔體持續前后擺動。擺動的射流隨后被引導通過2 個通道并從流體振蕩器交替發出，在出口處2 個短板的誘導下向中心軸偏轉。兩偏轉射流相互碰撞，形成1 對反向旋轉的渦旋，在碰撞點處有一個駐點。由于兩射流之間存在相位差，反向旋轉渦對的駐點橫向往復移動，反向渦旋形成的合并流呈現出復雜的橫向振蕩行為。

圖10 鈍體-V 形激勵器Fig.10 Blunt body V-shaped jet exciter

圖11 顯示了圖10（b）裝置腔內流動的振蕩運動過程。在圖11（a）[92]左上圖中，射流撞擊的位置大致在目標堵塞新月形表面的中點。如圖11（a）右上圖所示，隨著時間的推移，射流向右擺動，產生1 對反向旋轉的旋渦，左旋渦順時針旋轉，右旋渦逆時針旋轉。在圖11（a）左下圖中，射流向左擺動，再次接近中心位置；隨后射流繼續向左擺動，產生反向旋轉的旋渦，附著在左側壁面上，并通過左側通道從短板處發出，如圖11（a）右下圖所示。射流在腔內持續周期性地左右擺動，在側道出口處交替以反相角向下游區域發射。

圖11 振蕩射流的流場顯示Fig.11 Flow field of oscillating jet

Zeleke 等[68]研究了雷諾數對振蕩射流的影響，并且按照雷諾數大小將振蕩射流分為4 種特征流動模式，分別為非振蕩、亞臨界振蕩、臨界振蕩和超臨界振蕩。非振蕩射流是穩定的，無橫向振蕩；亞臨界和超臨界振蕩射流都有周期性的振蕩；臨界振蕩是非周期性的不穩定振蕩，對應的雷諾數大小介于亞臨界和超臨界之間。圖11（b）[68]為臨界振蕩時噴嘴出口的流動顯示，此時向下游演化的合并單射流表現出橫向不穩定性，合并后的單射流初始部分向左上、豎直或右上方不規則地移動了一段時間，然后改變方向，并且沒有周期性。Huang 和Chang[92-93]也發現振蕩射流在臨界雷諾數時會不規則擺動。因此，在這種情況下，從兩側射流撞擊點開始的合并單射流不存在周期性的橫向振蕩，只表現為非周期性的不規則擺動運動。

2.5 沖擊V 形板

當平面射流撞擊放置在下游的一塊V 形板時，會發生周期性振蕩的現象。利用這種現象可設計用于檢測小體積流量（下降到2 nl/s）和超低流速（0.15 mm/s）運動的微機械流量傳感器[8]。微機械流量傳感器可應用于生物醫學檢測、微量分析系統、智能流體等各個領域。這種微機械流量傳感器檢測的是周期性振蕩射流的振蕩頻率，而不是小體積流量誘導的直流電流或電壓信號，因此比一些產品具有更高的靈敏度和更大的動態范圍。Lee 等[8]在微尺度且雷諾數為0.2～5.4 的情況下，發現流速仍然與射流拍打頻率成正比關系，即可以通過檢測拍打頻率來測量小流量的流速或體積流量。圖12（a）[8]展示了1 種通過沖擊V 形板產生振蕩射流的結構：射流從噴嘴噴出，撞擊墻面的V 形板（圓弧板）便會發生橫向振蕩。圖12（b）[94]為橢圓形三構件流體振蕩器，由3 個獨立的元件組成，其中，2 個橢圓截面的元件橫放在通道上，橢圓的主軸與流動方向平行，形成一個錐形的噴嘴，面向噴嘴的第3 個元件稱為后體，具有U 形幾何形狀。射流撞擊后產生振蕩的后體腔體稱為振蕩室。該射流振蕩器在運行過程中，來自噴嘴的射流撞擊振蕩室壁面，分裂成2 股反向流，同時產生1 對反向旋轉的大尺度渦結構。一開始，振蕩腔內的流場是對稱的，射流上下側的反向流動以相同的流量從上下通道流出。然而，這種對稱布局引起的流動是非常不穩定的，任何微小的流動不對稱都將導致射流向一側偏轉（上或下），從而破壞其對稱性，并立即激發射流的周期性大尺度振蕩。當2 個前構件之間形成的射流在振蕩腔內往復振蕩時，就會形成脈沖回流，并由尖峰引導進入主流。有趣的是，若在V 形板尖端開一個口，如圖12（c）[95]所示，射流就會以拍打的形式從開口噴出，這種結構和反饋式腔體有點相似，只是兩側連接的是開放空間，拍打的發生依舊是由壓差造成的。

圖12 幾種V 形板裝置示意圖Fig.12 Schematic diagram of several V-shaped plate devices

圖13 為平面射流撞擊V 形板周期性振蕩的一系列圖片[8]。V 形板的角度為70°，從圖中可以清楚地看到：射流隨時間變化周期性地上下拍打。速度低于4 mm/s 的情況下，V 形板角度為110°和70°的時，氣流速度仍與射流拍打頻率成線性關系（圖13（b））。因此，可以通過檢測拍打頻率來測量小流量的速度（或體積流量），不過，V 形板的角度不同，對應線性關系的斜率也不同。另外，實驗發現：即使V 形板角度不同，得到的Strouhal 數均約為0.12，即拍打頻率與流速呈線性關系（圖13（c）），這也是一個具有工程應用價值的結果，可以用于測量小流量的速度（或體積流量）。

圖13 平面射流撞擊V 形板[8]Fig.13 Plane jet impinging v-shaped plate[8]

圖14[94]為射流從上側壁最大偏轉點到下側壁最大偏轉點過程中振蕩腔內的速度、渦量和壓力分布圖。這個過程對應的時間間隔實際上是射流振蕩的半個周期?？梢钥吹剑趖 為 0.995 和 1.062 s 時，射流撞擊凹壁的位置相同。但是，從速度大小和渦量等值線可以看出，射流中心線的凹度發生了變化，在t=1.062 s 之后，射流開始向下側壁偏轉。此外，從0.995 s 到1.062 s，射流周圍的壓力分布也發生了突變：在t=0.995 s 時，射流下側的壓力低于上側的壓力；而在t=1.062 s 時則相反。橫貫射流的壓力梯度突變導致射流中心線凹凸度變化，使射流迅速被推向下側壁。當射流偏轉時，上側壓力繼續減小、旋渦變大，而下側旋渦開始阻塞輸出通道，導致下側的壓力增大。射流周圍2 個反向旋渦的相互作用、渦的尺寸變化和堵塞效應所導致的區域內壓力非定常變化是射流振蕩的主要驅動機制。同時，數值計算所得射流最大偏轉角小于通過PIV 觀測到的最大偏轉角。

圖14 橢圓型三構件流體振蕩器數值模擬計算的速度、振蕩室內的渦量和壓力分布圖[94]Fig.14 Velocity,vorticity and pressure distribution in the oscillating chamber calculated by numerical simulation of the elliptic three-member fluid oscillator[94]

2.6 自激振蕩

當射流在一定的條件下從一個狹縫噴入突擴腔體就會在腔體內振蕩，這種射流被稱為自激振蕩射流。20 世紀80 年代，Luxton 等[21]發現了流入大型圓柱腔體的非旋渦、軸對稱射流自然發生的振蕩（旋進動），從此對通過腔體誘發的自激振蕩射流進行了大量研究。在不同的噴嘴形狀下射流振蕩的形式是不同的，研究最多的有矩形噴嘴、三角形噴嘴和圓形噴嘴。圖15（a）是米建春等[16]實驗用的矩形噴嘴，噴嘴（0.6 mm × 8.5 mm）和方腔（14.5 mm × 14.5 mm）的中心線是重合的。他們的研究發現：射流從上游狹小的矩形縫隙噴入下游方腔內，整個射流做二維拍打運動。Lee 等[96]將三角形噴嘴固定在圓形腔體內，如圖15（b）所示，射流在腔體內發生振蕩，在出口平面的3 個角之間往復振蕩。圖15（c）[97]顯示了圓形自激腔體內部和出口截面的流動，從圖中可以看到：腔體內部射流整體繞噴嘴軸線進行大尺度的旋進動，并伴隨著高速旋轉的環流（一部分從腔體外吸入，其余是射流本身的部分回流）。

圖15 3 種自激振蕩射流裝置示意圖Fig.15 Schematic diagram of three self-excited oscillating jet devices

圖16（a）[16]為矩形噴嘴產生的振蕩射流在水下進行可視化的8 個圖像序列，圖中顯示了拍打運動的一個完整周期（約為0.292 s），時間間隔約為0.042 s，矩形噴嘴處的雷諾數約為5 700。從圖中可以看出：射流的整體振蕩很明顯，這導致了大規模的相干運動和擴散速率的增大；在所研究的條件下，整個射流的振蕩是連續的。由于可視化設施限制了通過噴嘴的最大流量，所以該實驗使用的雷諾數比在空氣射流中測得的低。盡管如此，米建春等還是通過手動計幀的方式發現水射流拍打的Strouhal 數（約7.0 ×10-4）與空氣射流的拍打Strouhal 數（約 6.7 × 10-4）大致相同。Lee 等[96]在三角形噴嘴出口平面中心固定一條飄帶，通過飄帶側視圖照片顯示射流振蕩的振幅，每幅膠片圖像的曝光時間為5～10 s（圖16（b））。結合噴嘴出口的正視圖可以了解飄帶的實際運動狀態，通過飄帶的運動也證實了在一個圓形腔體內設置三角形噴嘴可誘導射流自激振蕩。從圖16（c）[97]中可以直觀地看到圓形振蕩射流的整體運動，從側面看與上述2 種振蕩射流相似，但是從出口端面遺留的灰塵痕跡可以看到，吸入腔體的環流是順時針旋轉的，射流則必然是逆時針旋進動的，射流和環流的角動量互相平衡，流動整體滿足射流在腔體上游入口處只有軸向動量或者無旋的條件。

圖16 自激振蕩射流運動顯示Fig.16 Motion display of self-excited oscillating jet

2.7 薄膜自激拍打

生活中常看到旗幟在風中拍打，并且旗幟在拍打的同時又會影響風的振蕩運動。如果將風和旗幟視為同一系統中存在的部件，這個過程顯然也可視為一種自然的自激現象。借用此自然現象，徐敏義等[17]于2019 年提出了一種基于柔性薄膜拍打的射流振蕩方式，其裝置如圖17（a）所示：在射流噴嘴出口中心處，一端固定的柔性（矩形）薄膜在速度足夠高的射流中像旗幟一樣拍打著，并引起整個射流的振蕩。他們還研究了薄膜長度和雷諾數對薄膜拍打運動的影響，如圖17（b）所示。在實驗中，徐敏義等確定了拍打和非拍打區域，并發現薄膜拍打過程存在類似雷諾實驗的遲滯區。當射流速度從0 逐漸增大時，薄膜在遲滯區內是靜止的；然而，射流速度從薄膜拍打區逐漸降低時，部分遲滯區內薄膜仍然拍打。圖17（c）為自激拍打射流流場的可視化照片，顯然，拍打射流的擴散角遠大于無薄膜存在的直流射流。實際上，當流體流過薄膜兩側，由于流體動力不穩定性產生的薄膜微小彎曲使兩側產生壓差，從而使薄膜向一側彎曲；而彎曲程度越大，彎曲剛度產生的力就越會驅使薄膜回到穩定的平面狀態，所以薄膜連續性拍打或拍打射流應該視為流體動力學誘導的自激現象。徐敏義等還發現：與自由直流射流相比，拍打射流對周圍流體有更強的卷吸和摻混能力，且薄膜拍打誘導的振蕩射流的Strouhal 數比上述傳統的腔體振蕩射流要大約兩個量級（圖17（d））。之后，吳夢維等[38,98]通過進一步實驗證實了拍打射流在射流增混方面存在著巨大優勢，并且發現不同薄膜寬度的拍打射流在流動特性上存在顯著差異，下一步將加入主動控制系統來增強拍打射流的有效范圍。在實際應用中，薄膜長度可通過轉軸或者推拉的方式進行主動調整，因此薄膜自激拍打誘導振蕩射流也可改造為一種主動的射流混合控制方式。

圖17 薄膜拍打誘導的振蕩射流研究[17]Fig.17 Picture of oscillating jet induced by film flapping[17]

3 結論和建議

3.1 進一步發展振蕩射流的建議

振蕩射流在諸多工業領域中都有應用，無論是與國家安全息息相關的航天航空領域，還是能源、化工甚至精密儀器制造領域，振蕩射流都發揮著重要的作用。發展主動和被動控制振蕩射流可以有效控制射流的混合特性，使諸多相關的工業過程能更有效地實現節能減排。隨著《中國制造2025》行動綱領的提出，以及為應對全球氣候變化推進經濟轉型承諾的2030 年“碳達峰”和2060 年“碳中和”等一系列計劃的實施，振蕩射流控制技術將可能作為關鍵技術迎來新的研究契機，同時也能為服務國家重大需求做出貢獻。但從目前的射流控制技術來看，無論是主動控制還是被動控制，都既有著自身的優勢，也存在不容忽視的缺陷。

主動控制通常需要額外的能量輸入，控制系統具有非線性和復雜性的特點，所以存在能耗較高、魯棒性相對較差等缺點。此外，大多數主動控制還需要人為調整，并未真正實現閉環的“主動控制”，難以達到精細化和理想化的效果。因此，對于主動射流控制技術，有以下2 點建議（圖18）：

圖18 針對振蕩射流的發展建議Fig.18 Recommendations for the development of oscillating jets

1）尋求控制裝置的經濟性和穩定性，例如周裕團隊利用側向微射流進行的主動控制除了控制裝置外，還需要額外的氣源，這會導致裝置的體積和成本增加。另外，這種控制裝置的運行環境多為工業（高溫）環境，在高溫環境時附加電子器件是否適應也應當注意。

2）實現真正的精細化和自動化控制。首先在硬件方面需使用響應速度快的傳感器和精度高的控制器。其次，在閉環控制的過程中，控制算法發揮著“大腦”的作用，因此推動自適應算法的發展是實現自動化的關鍵一環。只有不斷提升閉環控制系統算法的穩定性、響應速度、魯棒性、可靠性和可調節性，才能推進主動控制在工業生產中的實用性。

對于被動控制而言，大多數情況是通過滿足裝置結構的幾何條件自然誘導射流振蕩，但這種方式一般會帶來較大的壓力損失或能量消耗，導致振蕩射流的穿透力不強或在下游遠場區作用削弱。因此針對被動控制方式，有以下2 點建議（圖18）：

1）對現有結構進行優化以減少壓力損失，或者通過提高壓力來保持對下游流場的有效控制。但結構的優化可能會帶來作用效果的削弱，所以需對二者的關系進行建模，做出取舍策略。另外，為了更全面地比較性能，也應當對幾種傳統的被動控制方式在同樣的實驗條件下對壓力損失、流動混合和換熱等進行系統的比較研究。

2）應當嘗試多學科交叉，開闊思路，爭取在原理上做出創新。例如對于風中旗幟拍打運動的流-固耦合問題，在固體力學領域已有了大量研究，但拍打運動對流場的影響卻缺乏關注。

3.2 結論

本文對多種激發振蕩射流的方式做了一個較為全面的概述，希望有興趣的學者在引入新的相關技術時能夠對振蕩射流的產生方式有一個較為全面的了解。在當前提倡學科交叉的大背景下，開闊思路爭取在原理上進行創新，尋求性能更優的激勵方式，給射流控制領域帶新的活力，為服務國家重大戰略做出貢獻。最后，相關技術的研究和發展需要進一步開展學術界與工業界的合作,將振蕩射流的最新成果產業化。同時需要拓展振蕩射流技術的工業應用途徑,有計劃、有針對性地將振蕩射流概念和技術推廣到可以應用的地方。