自激脉冲喷嘴发生机理数值模拟
自激脉冲射流喷嘴参数对装置能耗的影响分析
第２ ５卷 第 ３期 ２０ ０ ７年 ６月
轻 工 龆掰 Ｌｇ ｔ ｎ ｕｔ ｉｈ Ｉ ｄｓｒ ｙＭａｈｎｒ ｃ ｉｅｙ
Ｖｏ． ５Ｎｏ ３ １２ ． Ｊ ｎ ２０ ｕ ．０ ７
（． 江大 学 化 工机械研 究所 ，浙 江 杭 州 ３ ０ ２ ； １浙 １ ０ ７ ２ 浙 江机 电职 业技术 学 院 机械 工程 系，浙 江 杭 州 ３ ０ ５ ） ． １ ０ ３
不能 大规模应 用 的原 因 。对于低 压 大流量 自激脉 冲清 洗装 置 ， 耗问题 尤其 值得 关注 。通 过优化 喷 嘴结构 ， 能 改进 射流 型 式 ， 现 较低 工 况参 数 下 达到 较 高 的做 功 实 目标 ， 已逐渐 成为 业 内关注 的 问题 。 为 提 高低 压 大 流量 自激脉 冲射 流清 洗 设备 性 能 ，
维普资讯
［ 研究 ・ 计］ 设
王循 明 ， 等 自激 脉 冲 射 流 喷嘴 参 数 对 装 置 能 耗 的 影 响 分 析
能量输 出 ， 因此 数值 分 析 要做 的就 是 寻找 最 佳 腔 体结 构 及其 判别 参数 ， 这也 是本 文研 究 的主要 目标 。
上
Байду номын сангаас
降低 能耗 ， 我们 近期 对 装 置核 心 部件 —— 自激 喷嘴 振
荡腔 的内 流场 开 展 了 研究 ， 数 值 分 析 和 模 型 试 验 ２ 从
图 １ 自激脉 冲射 流喷嘴 结 构示 意 图 试 验研究 发 现腔 体长 径 比 ／ 一０ ２ 、 Ｄ ． ～０ ９之间
０ 引 言
图 １ 试 验所 采 用 的 自激 脉 冲 喷 嘴示 意 图 ， 基 为 其
本 型式来 源 于 Ｃ ａ ｉｅ发 明 的亥母 霍 兹 自振 腔式脉 冲 ｈ ｈｎ
双腔室自激振荡喷嘴频率特性研究
切层 向下 游 流 动 过 程 中 ， 于剪 切 层 的 不 稳 定 性 对 涡 由
２ ％ 。如何 进一 步 提 高 脉 冲射 流 峰 值 压 力 ， 为 众 多 ０ 成
学 者研 究 的热 点 ， 目前 还 主 要 集 中在 通 过 对 单 腔 室 但
自激振 荡腔 结 构 尺 寸 和 上 、 喷 嘴 孔 径 的优 化 来 获 得 下
Ｐ ＩＪａ ｇ ｈ ｎ Ｅ ｉｎ — ｏ ｇ． Ｔ ＮＧ Ｃ ｕ ｎ ｌ ＨＵ Ｄｏ ｇ Ａ ｈ ａ —ｉ ｎ ｎ
（ｎｔ ｕｅｏ Ｗａｅ Ｊｔ ｅｉｅ Ｈｕ ａ ｎｖｒｔ ｏ Ｔ ｃ ｎｌ ｙ Ｚ ｕｈｕ４ ２ ０ ， ｈｎ ） Ｉｓ：ｔ ｆ ｔｒ ｅ Ｄ ｖ ， ｎ ｎＵ ｉｅｓｙ ｆ ｅｈ ｏ ｇ ，ｈ ｚｏ １０ ８ Ｃ ｉ ｔ ｃ ｉ ｏ ａ
嘴 的相似 网络模 型 ， 理论分析 了双 腔室 自激振荡喷嘴频率特性 。模型计算 结果表 明 ： 双腔室 自激振荡 喷嘴结构 参数对 系 统的固有频率有重要 的影 响 ， 系统结构 参数 间存在最优匹配关 系 ， 与文献 中介 绍 的单腔室结 构参数 的最佳配 比关 系有 并 较大的不同 ， 腔室 自激振荡喷嘴较单 腔室 自激振荡喷嘴可 以提 高脉 冲射 流峰值压力 。分析结果对 双腔室 自激振荡喷嘴 双 结构设计具有一定 的借 鉴价值 。 关键词 ： 自激振荡 ； 冲射流 喷嘴； 脉 固有频率 ； 双腔室
自激振荡脉冲射流喷嘴结构优选试验研究
自激振荡脉冲射流喷嘴结构优选试验研究李玮;纪照生;刘景宇;李显义【摘要】高压水射流是钻井提速的基本技术手段。
自激振荡脉冲射流是一种特殊的高压水射流，因其结构简单、全金属性及充分利用钻井液能量等优点，成为深井、超深井钻井提速研究热点。
根据流体网络集中参数理论，设计了室内试验装置和试验方法，对自激振荡脉冲射流元件的结构参数与射流特性进行了室内试验分析。
结果表明：流体网络集中参数理论能够很好地描述射流元件的振荡特性；当上下喷嘴直径比为0．75、腔长腔径比为0．80、喷嘴锥角为120°时，自激振荡脉冲射流性能最好。
%High pressure water jet is the basic mean for improving the efficiency of drilling.Self-excited oscillation pulsed jet is a particular kind of high pressure water jet.Because of its simple structure,all-metal property and making full use of the energy of drilling fluid,it provides theory basisfor improving the efficiency of deep drilling and ultra-deep drilling.Based on fluid network lumped parameter theory,an indoor test equipment and a test method are designed,and also the structural parameters and jet features of self-excited oscillation pulsed jet components are ana-lyzed.The results show that fluid network lumped parameter theory can describe the oscillation properties of fluidic elements well.When the diameter ratio of the upper nozzle and the lower noz-zle is 0.75,the ratioof cavity length and cavity diameter is 0.80 and the conic angle of nozzle is 120°,self-excited oscillation pulsed jet has the best performance.【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】4页(P57-59,60)【关键词】喷射钻井;自激振荡;脉冲射流;室内试验;射流喷嘴【作者】李玮;纪照生;刘景宇;李显义【作者单位】东北石油大学，黑龙江大庆 163318;东北石油大学，黑龙江大庆163318;新疆油田勘察设计研究院，新疆克拉玛依 834000;中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 102206【正文语种】中文【中图分类】TE926随着深层油气勘探开发的不断深入，深井、超深井的钻井提速压力日益增大。
自激振荡脉冲射流喷嘴的修正空化模型
自激振荡脉冲射流喷嘴的修正空化模型汪朝晖;陈思;邓晓刚;王在良【摘要】根据自激振荡脉冲射流喷嘴中的空化发生机理,一种考虑剪切力(包括雷诺剪切力和粘性剪切力)和由湍动能产生的压力脉动对空化影响的修正空化模型被提出来提高喷嘴内流场的模拟精度.修正空化模型通过用户自定义函数UDF挂入到Fluent中定义空化压力属性.采用该修正空化模型模拟计算所得到的不同入口压力和腔径条件下的喷嘴出口压力峰值与以往的实验结果吻合得很好,验证了该修正空化模型的正确性.进一步对剪切力和由湍动能产生的压力脉动对空化的影响进行了分析,并且研究了不同入口压力条件下这两个因素对空化发生的影响的强弱程度以及空化初生的能力.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2019(000)002【总页数】5页(P265-268,272)【关键词】自激振荡脉冲射流喷嘴;剪切力;湍动能;修正空化模型;UDF;空化初生【作者】汪朝晖;陈思;邓晓刚;王在良【作者单位】武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉 430081;武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉 430081;重庆科技学院机械与动力工程学院,重庆 401331;江苏科圣化工机械有限公司,江苏淮安 223002【正文语种】中文【中图分类】TH16;TK263.41 引言自激振荡脉冲射流喷嘴能够依靠其自身的特殊结构和特定的边界条件产生自激振荡脉冲效应，使连续入口射流变成高速的脉动出口射流，在没有外界提供附加能量就能提高其喷射性能，因此被认为是一种十分具有前景的射流装置。
由于这一特性，自激振荡脉冲射流喷嘴广泛应用于矿山、破碎、钻井等领域。
目前，已有大量学者采用实验和基于CFD的模拟手段对该喷嘴进行研究[1-4]。
相比于实验方法，基于CFD的模拟方法具有节省时间、人力、物力等优越性。
此外自激振荡效应产生的原因是腔室内部空化演变的结果[5]。
然而喷嘴腔室内空化的演变过程是一个十分复杂的一个过程，采用实验的方法很难精确地去描述腔室内的空化过程以及捕捉微小的细节。
自激振荡脉冲射流喷嘴频率特性实验研究
Ｋｅ ｏ ｄ ：ｓ ｌ ｅ ｃｔｄ ｏ ｃｌ ｔｏ ｕｓ ｄ ｗａｅ ｅ ；ｅ ｏ ｚｅ ｏ ｃｌ ｔ ｎ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｐ ｍｐ ｐ ｅ ｓ ｒ ；ｅ ｇｈ ｏ ａ ｉ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｌ ｙｗ ｒ ｓ ｅｆ ｘ ｉ ｓｉａｉｎ ｐ ｌｅ ｔｒｊｔｊｔｎ ｚｌ； ｓｉ ａｉ ｒｑ ｅ ｃ ； ｕ ｒｓｕ ｅ ｌｎ ｔ ｆｃ ｖｔ ｘ ｅｉ ｎ ａ — ｅ ｌ ｌ ｏ ｙ；
Ｔａ ｇ Ｃｈ ａ ｌ Ｈ ｕＤｏ ｇ Ｐｅ Ｊａ ｇ ｏ ｇ ｎ ｕ ｎｉ ｎ ｎ ｉ ｉｎ ｈ ｎ
（ｎ ｔｔ ｔ ｆ ｔｒＪ ｔ Ｈｕ ａ ｎ ｖ ｒｉｙ ｏ ｅ ｈ ｏｏ ｙ， ｕ ｈ ｕ４ ０ ８， ｈ ｎ ） Ｉ ｓｉｕｅｏ Ｗａｅ ｅ ， ｎ ｎ Ｕ ｉｅ ｓｔ ｆ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ Ｚｈ ｚ ｏ １ ０ Ｃ ｉａ ２
自激 振 荡 脉 冲 射 流 喷 嘴 频 率 特 性 实 验 研 究
唐 川 林 胡 东 裴 江 红
４２０） １ ０ ８ （ 南 工 业 大 学水 射 流 研 究 所 湖 湖南株洲
摘 要 ： 于 水 声 学 和 流体 动 力 学原 理 ， 立 了振 荡 腔 内脉 冲 射 流 频 率模 型 ， 究 结果 表 明 ， 态 数 、 体 密度 及 密 度 变 化 率 是 影 响 射 基 建 研 模 流
中图 分 类 号 ：ＴＥ２ ８ ４ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ａ ｔ ｄ ｎ ｔ ｅ ｆ ｅ ｅ ｙ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｓ ｉ ｆ ｔ ｅ ｐ ｒ ｍ ｎｔ ｌｓ ｕ ｙ ｏ ｈ ｒ ｑｕ ｎｃ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｏ ｈ ｓ ｌ－ ｘ ｉｅ ｓ ｉｌ ｔｏ ｌｅ ｏ ｚ ｅ ｅ ｆｅ ｃ ｔ ｄ ｏ ｃ ｌａ ｉ ｎ ｐｕ ｓ ｄ ｎ ｚ ｌ
自激共振喷嘴与锥形喷嘴空化发生器的空化特性仿真研究
・ １ ２ ・
２ （ ） 】 ３ 年１ 月号理工上旬刊 第 １ ｏ 卷第１ 期
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｙ ａ ｎ ｇ ｔ ｚ ｅ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ（ Ｎ ａ ｔ Ｓ ｃ ｉ Ｅ ｄ ｉ ｔ ） Ｊ ａ ｎ ． ２ ０ １ ３ ，Ｖｏ １ ． １ ０ Ｎｏ ． １
图２ 自激 共 振 喷 嘴 空 化 发 生 器
２ 数值模 拟与控制方程
Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 模拟 流体 空化使 用 Ｇ ａ ｍｂ ｉ ｔ 建 立二维 模 型和划分 网格 ，阚格数在 １ Ｏ 万 左右 ，充分保 证 了模拟
［ 收稿日期］２ ０ １ ２ — １ ０ — ２ ［ 基金项目］国家自然科学基金项目 （ １ １ １ ７ ４ １ ９ １ ） ；陕西 自然科学基金项目 （ ２ ０ １ ｉ Ｊ ｒ ０ ０ ２ ） ，国家大学生创新训练计戈 ９ 项目 （ Ｃ Ｘ１ ２ １ ３ １ ） 。 ［ 作者简介］关善超 （ １ ９ ８ ９一 ） ，男 ，现主要从事声空化方面的学 习： ［ ． 作。
［ 摘要］运用 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 软件 、 ｋ － ｅ模型 、气液两相流空化模 型，模 拟计算 了相 同喷嘴 直径下 的 自激共振 喷嘴
和 锥 形 喷 嘴 空 化发 生 器 的 空 化特 性 ．得 出 了 自激 共 振 喷 嘴 在 同 样 条 件 下 出现 空 化 现 象 所 需 时 间 比锥 形 喷 嘴 少 ，空 化 区域 大 ， 湍 流 动 能 强 的结 论 ，对 设 计 空 化 发 生 器 有 一 定 的 指 导作 用 。
１ ２种 喷 嘴 模 型 的建 立
图 １和图 ２分别是锥形喷嘴 空化 发生器和 自激共振 喷嘴空化发生器 ２ 种 喷嘴 的平面示意 图 ，示 意图上Ｌ为谐振 腔长度 ，保证流场 区域长 度和尺寸一致 。
自激振荡射流喷嘴研究进展
自激振荡射流喷嘴研究进展作者：李振华来源：《中国科技博览》2014年第16期【摘要】论文总结了自激振荡射流的特点及应用，阐述了自激振荡脉冲射流的产生机理和喷嘴设计关键，分析了自激振荡脉冲喷嘴的频率特性，指出了自激振荡脉冲射流喷嘴的发展方向。
【关键词】自激振荡射流频率特性喷嘴雾化引言多年来，人们对流体自激振荡技术已经进行了较深入的研究，如D.Rockwell[1，2] 、Conn[3]、廖振方[4]、沈忠厚[5]、李根生等，流体自激振荡一方面会引起诸多不良效果，如剥蚀、噪声、激振等，另一方面，也可利用其强大的破坏作用和振动实现一定的工作目的，典型的应用有自激振荡脉冲射流钻头、自激振荡波动注水、自激振荡水力解堵、自激振荡射流清洗、自激振荡切割、自激振荡强化传热等。
在多种工况中，喷嘴设计是成功应用震荡射流的关键。
国内外对自激振荡射流的研究主要关注射流的结构、产生的机理以及频率特性等，对于喷嘴的设计还没有系统的方法，设计精度和可靠性不够。
1 . 自激振荡脉冲射流工作原理根据边界层理论和涡旋理论，1986年廖振方教授提出了利用流体的自激振动产生脉冲射流的理论[4]。
当一股射流或剪切流向下游流动时，射流中一定频率范围内的涡量扰动得到放大。
在剪切层中形成一连串离散涡环，当其到达碰撞壁并与之相互作用时，在碰撞区产生压力振荡波，该波以声速向上游传播，又诱发新的涡量脉动。
若分离区与碰撞区的压力脉动相互为反相，就会形成涡量扰动-放大-新的涡量脉动产生的循环过程。
该过程不断重复，就会形成强烈的自激振荡脉冲射流。
2. 自激振荡喷嘴设计关键由于流体共振是靠自激产生的，是无源自振。
根据水声学原理，共振驻波的频率与射流临界自激结构频率相近，该频率值由喷嘴的临界斯特罗哈（Strouhal）数确定，但是，精确的共振频率值取决于谐振腔的入口截面和出口截面的收缩程度。
因此，谐振腔的设计，首先必须计算出谐振腔的固有频率，然后根据自激压力振荡可能发生的激励频率（射流临界自激结构频率）设计出合适的谐振腔尺寸。
自激振荡脉冲喷嘴空化效应及其射流形态的数值分析
自激振荡脉冲喷嘴空化效应及其射流形态的数值分析汪朝晖１㊀胡亚男１㊀饶长健１㊀邓晓刚２１．武汉科技大学机械自动化学院,武汉,４３００８１２．重庆科技学院机械与动力工程学院,重庆,４０１３３１摘要:基于自激振荡脉冲喷嘴空化效应和多相流模型,建立了自激振荡脉冲射流空化模型.依据自激振荡腔室结构及其几何参数建立了腔室轴对称物理模型,计算得到了振荡周期１００m s 内自激振荡脉冲射流的空化泡破碎㊁腔室内两相分布㊁湍动能分布和速度分布等结果.研究表明:在１．０２~２．３７m s时,空化泡半径减小,气泡开始径向运动形成泡面加速射流;在２．６９~４．６７m s 时,空化泡面压力达到极限破碎值时气泡开始破碎;在自激振荡周期前２５m s ,主射流与空气接触边界面形成较强湍动能,自激振荡腔室中心漩涡区逐渐变大,外流场连续射流被割断成多股状射流,射流在喷射轴线附近速度达到并稳定在３０~４０m /s ;在振荡周期的４０~９０m s ,腔室内中心空化气囊形成并开始阻挡主射流运动,喷嘴出口流道出现大面积空化区域,湍动能最大区域集中在下喷嘴出口下游;在振荡后期,随着主射流与空气相互作用及射流贯穿距离增加,主射流速度逐渐趋于稳定且扩散作用减弱.关键词:自激振荡脉冲喷嘴;空化效应;射流形态;空化泡;雾化中图分类号:T P ６９D O I :１０．３９６９/j．i s s n ．１００４ １３２X．２０１７．１３．００４N u m e r i c a l A n a l ys i s o fC a v i t a t i o nE f f e c t s o f S e l f Ｇe x c i t e dO s c i l l a t i o nP u l s eN o z z l e s a n d J e t F o r m s WA N GZ h a o h u i １㊀HU Y a n a n １㊀R A O C h a n g j i a n １㊀D E N G X i a o g a n g２１．S c h o o l o fM a c h i n e r y a n dA u t o m a t i o n ,W u h a nU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,W u h a n ,４３００８１２．C o l l e g e o fM e c h a n i c a l a n dP o w e rE n g i n e e r i n g ,C h o n g q i n g U n i v e r s i t y of S c i e n c e a n dT e c h n o l og y ,Ch o n g qi n g,４０１３３１A b s t r a c t :B a s e do nt h ec a v i t a t i o ne f f e c t so f t h es e l f Ｇe x c i t e do s c i l l a t i o n p u l s e dn o z z l e sa n d m u l t i Ｇph a s e f l o w m o d e l ,ac a v i t a t i o n m o d e l o f t h es e l f Ｇe x c i t e do s c i l l a t i o n p u l s e d j e t sw a se s t a b l i s h e d ．T h e a x i s y mm e t r i c p h y s i c a lm o d e l o f t h e c h a m b e rw a s b u i l t a c c o r d i n gt o t h e s e l f Ｇe x c i t e d o s c i l l a t i o n c h a m b e r s t r u c t u r e s a n d i t s g e o m e t r i c p a r a m e t e r s ．T h e b r e a k u p o f c a v i t a t i o n b u b b l e s ,t w o Ｇph a s e d i s t r i b u t i o n s i n t h e c h a m b e r s ,t u r b u l e n t k i n e t i c e n e r g y d i s t r i b u t i o n s a n dv e l o c i t y di s t r i b u t i o n s i n a no s c i l l a t i o n p e r i o d o f １００m sw e r e o b t a i n e d b y nu m e r i c a l c a l c u l a t i o n s ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t :i n １．０２Ｇ２．３７m s ,t h e r a d i i o f c a v i t a t i o nb u b b l e s d e c r e a s e r a p i d l y a n d t h e b u b b l e s b e g i n t o d o r a d i a lm o t i o n s t o f o r mt h e a c c e l e r a t i n gje t o n t h e b u b b l e s s u rf a c e ．I n ２．６９Ｇ４．６７m s ,t h e b u b b l e s s t a r t t o c r u s hw h e n t h e p r e s s u r e s o f c a v i t a t i o n b u b b l e s u r f a c e s r e a c h t h e l i m i t b r e a k i ng v a l u e ．I n th e b e gi n n i n g o f ２５m s ,t h e s t r o n g t u r b u l e n t k i n e t i c e n e r g yi s f o r m e d a t t h e c o n t a c t i n t e r f a c eb e t w e e nt h em a i n j e t a n da i r ,a n d t h e c e n t e rv o r t e xa r e a i n s e l f Ｇe x c i t e do s c i l l a t i o n c h a m b e r g r a d u a l l yg r o w s u p ．C o n t i n u o u s je t i n t h e o u tf l o wf i e l d i s c u t i n t o t h e m u l t i p l e j e t a n d t h e j e t v e l o c i t y r e a c h e s a s t a b l e v a l u e a b o u t ３０Ｇ４０m /s n e a r t h e a x i s o f i n je c t i o n ．I n ４０Ｇ９０m s ,t h e c e n t r a l c a v i t a t i o na i r b a g i nt h ec h a m b e rh a sb e e nf o r m e da n db e gi n s t ob l o c kt h e m o v e Ｇm e n t s o fm a i n j e t ,a n d t h e l a r g e c a v i t a t i o na r e aa p pe a r s i nt h en o z z l e so u t l e t c h a n n e l a n d t h em a x i Ｇm u mt u r b u l e n t k i n e t i c e n e r g yi s c o n c e n t r a t e d i n t h e d o w n s t r e a mo f t h e l o w e r n o z z l e e x i t s ．I n t h e l a t e r p e r i o do f o s c i l l a t i o n ,t h e v e l o c i t y o fm a i n je t t e n d s t ob e s t a b l e a n d t h e d if f u s i o n e f f e c t s a r ew e a k e n e d a s t h em a i n j e t i n t e r a c t sw i t h t h e a i r a n d t h e p e n e t r a t i o nd i s t a n c e s o f t h e je t i n c r e a s e ．K e y wo r d s :s e l f Ｇe x c i t e do s c i l l a t i o n p u l s e n o z z l e ;c a v i t a t i o n e f f e c t ;j e t f o r m ;c a v i t a t i o nb u b b l e ;a t Ｇo m i z a t i o n收稿日期:２０１６Ｇ０８Ｇ２５基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１４０５３５２,５１３７６２０４)０㊀引言空化是液流系统中由于局部压力低于临界值而诱发液体内部空泡的产生㊁发展和溃灭的过程,高速射流在进入狭窄的喷嘴内部时往往伴随着复杂的湍流运动和介质密度的变化,极易形成空化[１Ｇ２].研究表明:当空化泡破碎时,泡面微射流５３５１ 自激振荡脉冲喷嘴空化效应及其射流形态的数值分析汪朝晖㊀胡亚男㊀饶长健等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.瞬间可达到高速㊁高压和高温的状态.当喷嘴内部出现空化现象时,有效利用其空化特性可使流体雾化效果显著增强;但由于实验中无法清楚地观察空化射流形成及其喷雾形态,尤其是对空化射流的喷射流体结构和外部流场分布研究仍然存在盲区,因此利用数值计算手段研究空化效应及其射流形态具有重要意义.空化效应的形成机理极其复杂,空化泡的产生㊁溃灭以及射流不稳定性是影响空化射流形态的重要因素.S UH等[３]将喷油嘴简化成扩大的透明二维矩形空壳结构,研究喷孔在不同几何结构下空穴流动对喷雾的影响,以及空穴的发展过程,探究了空化泡对空化射流雾化的影响.A L EＧHO S S E I N等[４]和Q I N等[５]通过求解R a y l e i g hＧP l e s s e t方程模拟了空化射流中空化泡的生成㊁溃灭的变化过程,得出空化泡影响空化射流形成的结论.姚立明等[６]为研究空化喷嘴产生的空泡射流在不同深度环境下的影响因素,研究了不同环境下空泡的差异,并总结了空泡内气相体积分数和速度的变化规律.C H E N等[７]利用数值模拟手段,证实了空化射流对钢铁腐蚀的主要原因在于空化泡溃灭时产生的高强度冲击波和瞬间的高温.刘琦等[８]分析了喷孔内部气液两相流场的三维流态以及空化流动特性,发现随着喷孔直径增大,燃油高速区域扩大,空化效应增强.目前空化射流形态研究主要关注空化模型及其算法的改进.X I E等[９]建立了一种简化虚拟流体模型模拟空化射流中气泡的爆炸现象,而用另外等熵单流体空化模型描述和捕捉非定常的空化射流形态,在模拟空化射流冲击自由壁面中得到较好的计算结果.WA N G等[１０]结合拉格朗日计算方法和欧拉计算方法的优点,提出了混合计算模型,对变化剧烈的空化区域使用欧拉模型进行计算,而对于相对稳定的刚性壁面等位置通过拉格朗日网格进行计算,提高了空化模型模拟精度.曾宇杰等[１１]利用两相流的数值计算模拟血液的两相流动,得到血管壁面压力㊁壁面剪切应力㊁血液流速等血流动力学参数,弥补了单相流模型的不足.王维军等[１２]采用改进后的空化模型和湍流模型,对离心泵内部空化流动进行分析,提出了空化初生的判定准则,系统划定了离心泵的空化区域.上述计算表明:有效的空化模型及其改进算法有助于空化射流的数值模拟研究.根据H e l m h o l t z空腔模型而设计的自激振荡腔室能够产生较强的脉冲射流,其脉冲作用由封闭的振荡腔内上喷嘴出口处形成的自由剪切射流与下喷嘴碰撞壁反馈产生的压力扰动波相互作用形成[１３Ｇ１５].本文基于自激振荡脉冲喷嘴空化效应和多相流模型,建立自激振荡脉冲射流空化模型和腔室轴对称物理模型,计算得到自激振荡脉冲射流空化泡破碎㊁腔室内两相分布㊁湍动能分布和速度分布等结果.１㊀数学模型１．１㊀控制方程自激振荡脉冲射流空化效应产生机理如图１所示.高速射流中的离散涡在自激振荡腔室内的剪切层中被选择性放大,形成大尺度涡旋结构,进而形成沿腔室轴线对称分布的空化气囊.该气囊对喷嘴入口来流产生周期性的能量聚集与释放,使连续射流转变为脉冲射流,并使射流具有压力波动和一定的空化效应;同时,自激振荡腔室内存在着的大尺度漩涡以及脉冲压力振荡效应,将导致自激振荡腔室内漩涡空化和振荡空化的形成,从而加强喷嘴的空化效果.为研究空化效应下的自激振荡脉冲射流形态,对空化泡破碎㊁自激振荡脉冲腔室内场及外场进行数值分析.由于计算模型中空化泡破碎涉及空化泡㊁液体和空气两相作用,喷嘴内流场计算涉及空化现象,喷嘴外流场计算则涉及空气和射流的相互作用,故整个射流形态计算模型采用多相流模型同空化模型进行计算.图１㊀自激振荡脉冲空化效应F i g．１㊀T h e c a v i t a t i o n e f f e c t o f s e l fＧe x c i t e do s c i l l a t i o n p u l s e根据多相流计算模型,建立混合相的连续性方程和动量方程[１６]:∂ρ∂t＋Ñ(ρu)＝０(１)∂(ρu)∂t＋Ñ(ρu u)＝－Ñp＋Ñτ＋ʏδ(t)σk nδ(x－xᶄ)d S(２)式中,t为时间;u为速度;σ为表面张力系数;ρ为混合密度;k为界面曲率;p为压力;τ为黏性切应力;n为指向表面S的法向单位矢量;δ(x)为D i r a c函数.各相的体积分数满足６３５１中国机械工程第２８卷第１３期２０１７年７月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.(∂αi/∂t)＋Ñ(uαi)＝０㊀i＝l,g,v(３)αl＋αg＋αv＝１(４)ρ＝αlρl＋αgρg＋αvρv(５)μ＝αlμl＋αgμg＋αvμv(６)式中,αi为体积分数;αl为液相体积分数;αg为蒸汽相体积分数;αv为空气相体积分数;ρl为液相密度;ρg为蒸汽相密度;ρv为空气相密度;μ为混合相黏度;μl为液相黏度;μg为蒸汽相黏度;μv为空气相黏度.式(２)中的界面曲率k可根据所求解的液相体积分数αl估算,即k＝Ñ(Ñαl/|Ñαl|)(７)１．２㊀空化模型射流空化形成涉及相变传质过程,质量传输是建立空化模型所要考虑的关键问题.空化传质模型建立并不是独立的,空化模型将作为平衡方程的一部分用来描述蒸汽的产生与破碎.当流场内部压力低于饱和蒸汽压时产生蒸汽,平衡方程的其他部分解决流动和射流问题.本文采用Z w a r tＧG e r b e rＧB e l a m r i空化传质模型[１７],模型假设液体中所有的气泡具有相同的初始尺寸,采用单位体积内气泡的数目计算传质效率:R＝n(４πR２B p v d R B d t)(８)式中,n为单位体积内气泡数目;R B为气泡直径;p v为气泡内压力.忽略R a y l e i g hＧP l e s s e t方程中的二阶导数项㊁黏性项以及表面张力项可得d R B d t＝２(p B－p f)３ρl(９)式中,p B为气泡内的压力;p f为非凝结气体的部分压力.将式(９)代入式(８),可得由体积分数表示的传质效率R＝３αρvR B２(p B－p f)３ρl(１０)最终气泡蒸发与凝结的传质效率表达形式为R e＝C e３αn u c(１－αv)R Bρv ２(p v－p f)３ρl(１１)R c＝C c３αv R Bρv２(p v－p f)３ρl(１２)式中,αn u c为气核体积分数;C e为蒸发常数相;C c为凝结常数相.２㊀物理模型２．１㊀腔室结构及计算参数基于自激振荡脉冲效应的喷嘴腔室几何模型如图２所示.喷嘴结构及其主要计算参数为[１,１８]:上喷嘴入口流道长度l１＝３０mm;下喷嘴出口流道长度l２＝３０mm;上喷嘴入口流道直径d１＝８mm;下喷嘴出口流道直径d２＝１５mm;自激振荡脉冲腔室直径D＝１００mm;自激振荡脉冲腔室长度L＝６０mm;下喷嘴碰撞壁夹角α＝１２０ʎ.图２㊀自激振荡脉冲腔室结构F i g．２㊀T h e c h a m b e r s t r u c t u r e o f s e l fＧo s c i l l a t i n gp u l s e由于需要考虑外流场空气对射流的影响,故喷嘴外部构造的轴对称计算域几何模型如图３所示.计算过程中发现:当外流场设置的空气域模型是喷嘴腔室直径的３倍之后,继续增大计算区域,计算的结果基本不发生变化;同时,计算区域增大,计算量也会增大,也没有实际计算意义.由此设置外流场计算域几何模型的空气域尺寸为喷嘴腔室直径的３倍.图３㊀外流场计算域几何模型F i g．３㊀T h e g e o m e t r y m o d e l a n d c o m p u t a t i o n a ld o m a i no f t he o u tf l o wf i e l d２．２㊀有限元求解本文采用G AM B I T软件对计算区域进行网格划分,并使用F L U E N T软件对网格计算域进行求解.由于自激振荡腔室结构尺寸与外部空气域相差悬殊,故本文在划分网格时首先采用线网格划分,然后再进行面网格划分,这样可以保证自激振荡腔室内部以及靠近喷嘴出口处的网格密度较大,而远离该区域的网格密度较小.网格划分及计算区域边界条件如图４所示,其中入口１为液体压力入口,参数设置为１１０１３２５P a;入口２为空气压力入口,参数设置为１０１３２５P a;压力出口参数设置为１０１３２５P a.在计算过程中,对流体流动状态及相关计算模７３５１自激振荡脉冲喷嘴空化效应及其射流形态的数值分析 汪朝晖㊀胡亚男㊀饶长健等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.图４㊀网格划分及计算区域边界条件F i g．４㊀T h e g i r dd i v i s i o na n d t h e b o u n d a r y c o n d i t i o no f c o m p u t a t i o n a l d o m a i n型进行如下设置:液体介质选用常温状态下的水,密度为１０００k g/m３,动力黏度为１０－３N s/m;气体介质选用常温状态下的空气,密度为１．２２５k g/m３,动力黏度为１．７９ˑ１０－５N s/m;液体饱和蒸汽压设置为３５４０P a;流体流动状态采用层流模型;计算过程采用瞬态模型;湍流模型选用可实现的kＧε模型.３㊀计算结果与分析３．１㊀空化泡破碎由于自激振荡脉冲喷嘴出口空化区域内的压力较外界大气压力小,因此空化泡由喷嘴出口进入大气环境时,空化泡外壁压力增大,在空化泡内部,相同温度条件下的饱和蒸汽压力和气体组分压力保持恒定.随着自激振荡脉冲射流空化泡半径的不断增大,对于某一确定初始半径的空化泡,存在着最大空化泡极限破碎半径,当空化泡半径达到极限值时空化泡破碎.单个空化泡在自由液面附近的破碎过程如图５所示.可以看出,在１．０２~２．３７m s时,空化泡开始溃灭,其半径开始急速减小,空化气囊开始径向运动,并且液体被带动向内挤压,形成一个泡面的加速射流.在２．６９~４．６７m s时,空化气囊加速径向运动,挤压射流的压力开始急速增大,当挤压压力达到空化泡极限破碎值时,空化泡从泡面最上端开始破碎,并且液体从空化泡面喷射.由于空化泡溃灭伴随着能量释放,因此在空化泡破碎过程中液体的湍动能增大.空化泡溃灭对自由液面附近的液体产生了破碎效果,因而当空化射流中出现大面积的空化泡溃灭时,喷射射流将会出现更加明显的雾化效果.３．２㊀两相分布根据伯努利方程计算得到喷嘴入口射流流速为４４．７６m/s,据此计算得到的自激振荡脉冲腔室频率大约为１１H z,因此本文的自激振荡脉冲腔室振荡周期为１００m s.下面分析在此一个振荡(a)０．１m s㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b)１．０２m s(c)２．３７m s㊀㊀㊀㊀㊀㊀(d)２．６９m s(e)３．４９m s㊀㊀㊀㊀㊀㊀(f)４．６７m s图５㊀单个空化泡在自由液面附近的破碎过程F i g．５㊀T h e b r o k e n p r o c e s s o f t h e s i n g l e c a v i t a t i o nb u b b l e n e a r t h e f r e e l i q u i d s u r f ac e周期内不同时刻的两相分布.振荡周期内不同时刻的液态水相㊁蒸汽相和空气相分布如图６所示.(a)１m s㊀(b)５m s㊀(c)７．５m s㊀(d)１０m s㊀(e)２５m s(f)４０m s㊀㊀(g)５５m s㊀(h)９０m s㊀(i)１００m s㊀图６㊀振荡周期内不同时刻的两相分布F i g．６㊀T h e t w oＧp h a s e d i s t r i b u t i o na t t h e d i f f e r e n tm o m e n t s i n t h e o s c i l l a t i o n p e r i o d由图６可看出,１~１０m s为自激振荡腔室内空化气囊的形成和生长过程.空化最初出现在腔室内的分离区,伴随着射流逐渐向下喷嘴运动,分离区内的空化泡也随之运动并不断生长.当空化泡到达下喷嘴碰撞壁后,受阻的空化泡开始沿碰撞壁壁面反向运动.在２５m s时,空化泡反向运动停止,在该位置空化泡持续生长,此时的射流未被阻断,液相体积分数在出流管道内达到最大.到４０m s时,空化气囊与主射流相互作用,这种作用在腔室内表现为气液相的混合,在腔室外表现为射流形态的改变.在４０~１００m s阶段可以看到,外流场的主射流逐渐变窄,两侧的液相体积分数开始减小并逐渐趋近于０.主射流逐渐被截断,空化泡与下喷嘴碰撞壁碰撞后开始反方向运８３５１中国机械工程第２８卷第１３期２０１７年７月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.动直至腔室固定位置后停止运动,空化泡达到体积最大值.此时,主射流被中心空化气囊所阻挡,形成了射流间断,此过程持续至空化射流振荡周期结束.此阶段,出流管道内的液相体积分数变化最为复杂,它既有空气的卷吸效应,又有空化气囊在管道内的破碎.可以看出:腔室内空化气囊对射流形态产生的影响主要表现在喷雾形态的变化,主射流液柱与空气交界面出现不规则锯齿状,造成连续射流被割断成多股状射流,加剧了空化射流的扰动和不稳定性,进而促进射流雾化的产生.３．３㊀湍动能分布一个振荡周期内不同时刻的湍动能分布如图７所示.在５m s 时,腔室内部空化气囊在靠近下喷嘴位置,由于空化气囊与下喷嘴碰撞壁发生了相互作用,因而在该区域出现较强的湍动能,主射流刚进入外流场时引起了空气场扰动,所以即使在射流未穿透区域也依然可以看到比较强烈的湍(a )５m s ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b )１０m s(c )２５m s ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(d )４０m s(e )６０m s ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(f )９０m s图７㊀振荡周期内不同时刻的湍动能分布F i g ．７㊀T h e t u r b u l e n t k i n e t i c e n e r g y di s t r i b u t i o na t t h e d i f f e r e n t t i m e i n t h e o s c i l l a t i o n p e r i o d动能;在１０m s 时,同样可以看到,在腔室内由于空化气囊逐渐向两侧壁面移动并在边角区域内与壁面相互作用,使得该区域内的湍动能有所增强,在外流场中,主射流与空气相互作用,在其接触的边界面形成较强湍动能,这说明该区域内空气与液柱发生了较为强烈的动量交换;在２５m s 时,主射流已经完全贯穿外流场,完整的射流形态形成,此时,在主射流与空气交界面上的湍动能继续增强,更有利于较好射流雾化效果的形成;在４０m s 时,中心空化气囊已经完全形成并开始阻挡主射流运动,由于气囊未与腔室壁面发生相互作用,所以腔室内空化区域的湍动能较弱,同时由于主射流被阻挡,喷嘴靠近出口处的湍动能较强,而外流场湍动能开始逐渐减弱,即说明在该时刻雾化效果较强的区域集中在喷嘴出口附近;在９０m s 时,腔室内空化气囊很大程度上阻挡了主射流运动,同时自激振荡喷嘴出口流道内也开始出现了大面积的空化区域,湍动能最强区域集中在下喷嘴出口下游,此时相应的雾化效果也在该区域内最强.３．４㊀速度分布一个振荡周期内不同时刻的内流场速度分布如图８所示.１m s 时,在自激振荡腔室的分离区形成涡结构,空化最先出现在漩涡中心位置,这是由于漩涡中心出现了低压区,一方面低压区内压力达到饱和蒸汽压时部分液体汽化,另一方面低压区的出现使得溶解于水体中的部分气体释放.在１０~５５m s 时,腔室中心漩涡区开始逐渐变大,直至将近布满整个半腔室;同时,由于腔室壁面进行了重构,故腔室四周边角区域不再出现次生涡.(a )１m s ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b )１０ms(c )２５m s ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(d )５５m s图８㊀振荡周期内不同时刻的内流场速度分布F i g ．８㊀T h e v e l o c i t y di s t r i b u t i o no f t h e i n t e r n a l f l o wf i e l d a t t h e d i f f e r e n tm o m e n t s i n t h e o s c i l l a t i o n p e r i o d当射流由喷嘴内部进入空气时,由于高压水射流与外界大气相对速度较大,故两者的速度大小和方向不同造成了气液相的相互作用.一个振荡周期内不同时刻的外流场速度分布如图９所示.在１０m s 时,射流刚进入大气环境,该阶段内的气液相相互作用最为明显.高速运动的液柱带动处于静止状态的气体,气体流线开始偏向主射流区,这一阶段内的液柱形状也因受到气体的作用而不稳定.在射流运动过程中,外界气体运动９３５１ 自激振荡脉冲喷嘴空化效应及其射流形态的数值分析汪朝晖㊀胡亚男㊀饶长健等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.速度开始趋于稳定.在５５m s 时,主射流区外的气体流线开始逐渐与主射流贴合.达到９０m s时,主射流与空气的相互作用基本达到稳定状态.(a )１０ms(b )５５ms(c )９０m s图９㊀振荡周期内不同时刻的外流场速度分布F i g ．９㊀T h e v e l o c i t y d i s t r i b u t i o no f t h e o u t f l o wf i e l d a t t h e d i f f e r e n tm o m e n t s i n t h e o s c i l l a t i o n p e r i o d一个振荡周期内不同时刻的外流场出口速度分布如图１０所示.横轴表示外流场出口边界与轴线的横向距离,纵轴表示边界面上某点的速度大小.在５m s 时,靠近轴线的外流场流体速度最高值达到了近９０m /s ,但是该速度并非射流的喷射速度,而是射流在没有达到稳定状态前由主射流而引起的空气湍动能增强的结果.伴随着主射流与空气相互作用逐渐稳定以及射流贯穿距离增加,主射流速度逐渐稳定.１０m s 为过渡时刻.随后射流在喷射轴线附近的速度稳定在３０~４０m /s.在４０m s 后,距轴线约１８０mm 处,射流速度开始下降并最终趋于０,这说明在一个振荡周期末射流的速度扩散作用减弱,主射流角度减小.图１０㊀振荡周期内不同时刻的外流场出口速度曲线F i g ．１０㊀T h e o u t l e t v e l o c i t y cu r v e o f t h e o u t f l o wf i e l d a t t h e d i f f e r e n t t i m e s i n t h e o s c i l l a t i o n p e r i o d４㊀结论(１)随着自激振荡脉冲射流空化泡溃灭,其半径急速减小,空化气囊开始径向运动,形成泡面加速射流.当挤压射流压力急速增大并达到空化泡极限破碎值时,空化泡从泡面最上端开始破碎.当空化射流中出现大面积的空化泡溃灭时,射流将会出现明显的雾化效果.(２)空化最初出现在自激振荡腔室的分离区,伴随着射流逐渐向下喷嘴运动,分离区内的空化泡也随之运动并不断生长.当外流场的主射流逐渐变窄时,主射流被截断,空化泡达到体积最大值,使连续射流被割断成多股状射流,加剧了空化射流的扰动和不稳定性.(３)空化气囊与下喷嘴碰撞壁发生相互作用时,出现较强湍动能.当主射流完全贯穿外流场时,主射流与空气交界面上的湍动能继续增强;在射流振荡周期末,腔室内空化气囊阻挡了主射流运动,且在喷嘴出口流道出现大面积的空化区域,湍动能最大区域集中在下喷嘴出口下游.(４)射流振荡初期气液相相互作用明显,伴随着主射流与空气相互作用逐渐稳定以及射流贯穿距离增加,主射流速度逐渐趋于稳定.在振荡周期末射流的速度扩散作用减弱,主射流角度减小.参考文献[１]㊀汪朝晖,胡亚男,廖振方,等．基于自激振荡脉冲效应的雾化喷嘴出口流道空化特性研究[J ]．机械工程学报,２０１６,５２(１４):２０４Ｇ２１２．WA N GZ h a o h u i ,HU Y a n a n ,L I A O Z h e n f a n g,e t a l ．C a v i t a t i o n C h a r a c t e r i s t i c S t u d y o n t h e O u t l e t C h a n n e l o fA u t o m i z a t i o n N o z z l eB a s e do nt h eS e l f Ｇe x c i t e dO s c i l l a t i n g P u l s eEf f e c t s [J ]．J o u r n a l o fM e Ｇc h a n i c a l E ng i n e e r i n g ,２０１６,５２(１４):２０４Ｇ２１２．[２]㊀MA R ,S L A B O C H PE ,MO R R I SSC ．F l u i d M e Ｇc h a n i c so ft h e F l o w Ｇe x c i t ed He l m h o l t z R e s o n a t o r０４５１ 中国机械工程第２８卷第１３期２０１７年７月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.[J]．J o u r n a l o fF l u i d M e c h a n i c s,２００９,６２３:１Ｇ２６．[３]㊀S UH H K,L E ECS．E f f e c t o f C a v i t a t i o n i nN o z z l e O r i f i c e o n t h eD i e s e lF u e lA t o m i z a t i o nC h a r a c t e r i sＧt i c s[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f H e a ta n d F l u i dF l o w,２００８,２９(４):１００１Ｇ１００９．[４]㊀A L E HO S S E I N H,Q I N Z．N u m e r i c a lA n a l y s i so f R a y l e i g hＧp l e s s e tE q u a t i o n f o rC a v i t a t i n g W a t e r J e t s[J]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l f o rN u m e r i c a lM e t h o d s i nE n g i n e e r i n g,２００７,７２(７):７８０Ｇ８０７．[５]㊀Q I NZ,B R E MH O R S T K,A L E H O S S E I N H,e t a l．S i m u l a t i o n o f C a v i t a t i o n B u b b l e si n a C o n v e r g e n tＧd i ve r g e n tN o z z l eW a t e r J e t[J]．J o u r n a l of F l u i dM eＧc h a n i c s,２００７,５７３:１Ｇ２５．[６]㊀姚立明,赵怡,李大蔚,等．不同深度对空化射流形态影响的数值研究[J]．水动力学研究与进展A辑,２０１４,A２９(６):６７５Ｇ６８２．Y A O L i m i n g,Z HA O Y i,L I D a w e i,e t a l．N u m e r iＧc a lR e s e a r c ho f t h eE n v i r o n m e n t a l I n f l u e n c eo fD i fＧf e r e n tD e p t ho n t h e S h a p e o f C a v i t a t i o n J e t[J]．C h iＧn e s e J o u r n a l o fH y d r o d y n a m i c s,２０１４,A２９(６):６７５Ｇ６８２．[７]㊀C H E N H S,L I J,C H E N D,e t a l．D a m a g e s o nS t e e l S u r f a c ea tt h eI n c u b a t i o n S t a g e o ft h e V i b r a t i o nC a v i t a t i o nE r o s i o n i n W a t e r[J]．W e a r,２００８,２６５(５/６):６９２Ｇ６９８．[８]㊀刘琦,欧阳光耀,杨昆,等．高压喷射条件下非常态燃油喷嘴内部空化流动特性[J]．农业机械学报,２０１６,４７(６):３３３Ｇ３４０．L I U Q i,O U Y A N G G u a n g y a o,Y A N G K u n,e t a l．N o z z l e I n n e r C a v i t a t i o n F l o w C h a r a c t e r i s t i c s o fN o nＧn o r m a l F u e lB a s e do n H i g hP r e s s u r e I n j e c t i o nC o n d i t i o n[J]．T r a n s a c t i o n so ft h eC h i n e s eS o c i e t yf o rAg r i c u l t u r a lM a chi n e r y,２０１６,４７(６):３３３Ｇ３４０．[９]㊀X I E W F,L I U T G,K HO O BC．T h eS i m u l a t i o n o fC a v i t a t i n g F l o w sI n d u c e db y U n d e r w a t e rS h o c ka n dF r e eS u r f a c e I n t e r a c t i o n[J]．A p p l i e dN u m e r i c a lM a t h e m a t i c s,２００７,５７(５):７３４Ｇ７４５．[１０]㊀WA N GG,Z HA N GS,Y U M,e t a l．I n v e s t i g a t i o n o f t h eS h o c k W a v eP r o p a g a t i o nC h a r a c t e r i s t i c s a n dC a v i t a t i o n E f f e c t so f U n d e r w a t e rE x p l o s i o n N e a rB o u n d a r i e s[J]．A p p l i e dO c e a nR e s e a r c h,２０１４,４６:４０Ｇ５３．[１１]㊀曾宇杰,罗坤,樊建人,等．主动脉夹层血液两相流动数值模拟分析[J]．工程热物理学报,２０１６,３７(４):７８０Ｇ７８４．Z E N G Y u j i e,L U O K u n,F A N J i a n r e n,e ta l．A o r t i cD i s s e c t i o nB l o o dT w oＧp h a s eF l o w N u m e r iＧc a lS i m u l a t i o n S t ud y[J]．J o u r n a lo fE n g i ne e r i n gT h e r m o p h y s i c s,２０１６,３７(４):７８０Ｇ７８４．[１２]㊀王维军,王洋,刘瑞华,等．离心泵空化流动数值计算[J]．农业机械学报,２０１４,４５(３):３７Ｇ４４．WA N G W e i j u n,WA N GY a n g,L I UR u i h u a,e t a l．N u m e r i c a l C a l c u l a t i o no f C a v i t a t i o nF l o wi n aC e nＧt r i f u g a l P u m p[J]．T r a n s a c t i o n s o f t h eC h i n e s eS oＧc i e t y f o rA g r i c u l t u r a lM a c h i n e r y,２０１４,４５(３):３７Ｇ４４．[１３]㊀L I A O ZF,L I J,C H E N D S,e ta l．T h e o r y a n dE x p e r i m e n t a l S t u d y o f t h eS e l fＧe x c i t e dO s c i l l a t i o nP u l s e d J e tN o z z l e[J]．C h i n e s e J o u r n a l o fM e c h a n iＧc a l E n g i n e e r i n g,２００３,１６(４):３７９Ｇ３８３．[１４]㊀S H E R V A N IＧT A B A R M T,P A R S A S,G HO RＧB A N I M．N u m e r i c a lS t u d y o nt h e E f f e c to ft h eC a v i t a t i o nP h e n o m e n o no nt h e C h a r a c t e r i s t i c so fF u e l S p r a y[J]．M a t h e m a t i c a l a n dC o m p u t e rM o dＧe l l i n g,２０１２,５６(５/６):１０５Ｇ１１７．[１５]㊀L ID,K A N G Y,D I N G X,e t a l．E f f e c t so fA r e aD i s c o n t i n u i t y a tN o z z l e I n l e t o n t h eC h a r a c t e r i s t i c so fH i g hS p e e dS e l fＧe x c i t e dO s c i l l a t i o nP u l s e d W aＧt e r J e t s[J]．E x p e r i m e n t a lT h e r m a l&F l u i dS c iＧe n c e,２０１６,７９:２５４Ｇ２６５．[１６]㊀王福军．计算流体力学分析ＧC F D软件原理与应用[M]．北京:清华大学出版社,２００５:７Ｇ１３．WA N G F u j u n．C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c sA n a l y s i s:C F DS o f t w a r eP r i n c i p l ea n dA p p l i c a t i o n[M]．B e i j i n g:T s i n g h u aU n i v e r s i t y P r e s s,２００５:７Ｇ１３．[１７]㊀Z WA R TPJ,G O D I NPQ,P E N R O S EJ,e t a l．A T w oＧp h a s eF l o w M o d e lf o rP r e d i c t i n g C a v i t a t i o nD y n a m i c s[C]//F i f t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nM u l t i p h a s eF l o w．Y o k o h a m a,２００４:１Ｇ１１．[１８]㊀王循明,焦磊,王乐勤．自激脉冲发生机理数值模拟及参数影响分析[J]．浙江大学学报(工学版),２００５,３９(９):１４５０Ｇ１４５４．WA N G X u n m i n g,J I A O L e i,WA N G L e q i n．N uＧm e r i c a l S i m u l a t i o n o f S e l fＧe x c i t e d O s c i l l a t i o nP u l s e d J e t a n d A n a l y s i so fP a r a m e t e r sI n f l u e n c e[J]．J o u r n a lo fZ h e j i a n g U n i v e r s i t y(E n g i n e e r i n gS c i e n c e),２００５,３９(９):１４５０Ｇ１４５４．(编辑㊀袁兴玲)作者简介:汪朝晖,男,１９８１年生.武汉科技大学机械自动化学院教授㊁博士研究生导师.主要研究方向为计算流体动力学及其装备设计理论与方法.EＧm a i l:z h w a n g＠w u s t．e d u．c n.胡亚男,男,１９９１年生.武汉科技大学机械自动化学院硕士研究生.饶长健,男,１９９３年生.武汉科技大学机械自动化学院硕士研究生.邓晓刚,男,１９７５年生.重庆科技学院机械与动力工程学院教授.１４５１自激振荡脉冲喷嘴空化效应及其射流形态的数值分析 汪朝晖㊀胡亚男㊀饶长健等Copyright©博看网 . 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喷射燃烧器中喷雾特性的数值模拟与实验研究
喷射燃烧器中喷雾特性的数值模拟与实验研究引言喷射燃烧器是一种在工业生产和燃烧实验中广泛应用的装置。
在喷射燃烧器中，喷雾特性是影响燃烧效率和排放污染物的重要因素。
因此，在对喷射燃烧器进行优化设计和高效运行之前，必须对其喷雾特性进行全面深入的研究。
本文将介绍喷射燃烧器中喷雾特性的数值模拟和实验研究，首先对喷射燃烧器的相关原理和特性进行简要介绍，然后分别从数值模拟和实验研究两个方面探讨喷雾特性的相关内容，最后对未来的研究方向进行展望。
一、喷射燃烧器的原理和特性喷射燃烧器是一种将液体燃料喷射到燃烧室中并与空气混合燃烧的装置。
其基本原理是利用喷嘴产生高速液体流，将燃料分成小颗粒并喷入燃烧室中，在此过程中与空气混合，燃料与空气达到一定的浓度后自然燃烧。
在喷射燃烧器中，喷雾特性是燃烧效率和污染排放的重要影响因素。
喷雾特性主要包括燃料喷雾的形态、大小、速度等参数。
因此，对喷射燃烧器中的喷雾特性进行研究是优化设计和高效运行的关键。
二、数值模拟研究数值模拟是当前研究喷射燃烧器喷雾特性的主要方法之一。
在数值模拟中，利用计算机对液体燃料喷雾和分散过程进行模拟，并预测其喷雾特性。
数值模拟方法的主要优点是可以模拟出具体的燃料喷雾细节，如喷雾角度、速度、分布等参数，从而深入研究燃烧过程中的物理现象。
但是，数值模拟的结果可能受多种因素的影响，例如模型偏移、边界条件、精度等因素。
近年来，研究人员采用了各种数值模拟方法对喷射燃烧器中的喷雾特性进行了研究。
其中，最常用的数值模拟方法是CFD计算方法（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）。
CFD计算方法可以基于流体的运动方程和热传导方程，对流场进行预测。
目前，国内外研究人员在数值模拟方面的工作主要集中在喷嘴、喷雾、混合和燃烧等方面。
喷嘴方面的数值模拟主要包括单孔喷嘴、多孔喷嘴和空气辅助喷嘴等不同类型的喷嘴。
喷雾方面的数值模拟主要包括喷雾锥形、液膜分布、颗粒分布等方面的研究。
直流自击式喷嘴雾化特性研究
3 双股射流自击喷嘴雾化的实验研究
为了对上述物理机理的分析中所做的各种基
本假设进行评估，进行了该型喷嘴的最基本的实 验 （实验介质为水，常压环境） 来说明问题。实 验中选用了 2 种基本喷嘴的结构形式：①喷孔直 径为 3 mm 的直流喷嘴；②喷孔直径为 3 mm 的 双股射流自击式喷嘴 （自击角度为 90°）。实验情 况如图 2 所示。
图 1 直流自击式雾化 Fig. 1 Sketch of jet impinging atomization
第 42 卷 第 1 期
刘孝弟，等：直流自击式喷嘴雾化特性研究
15
为了讨论问题方便，将双股射流自击式雾化
喷嘴安排成垂直向下的流动方式，来分析直径为
d 的液体射流，沿 θ 方向以速度 u 从喷孔中流进
第 42 卷 第 1 期 2016 年 2 月
火箭推进
JOURNAL OF ROCKET PROPULSION
Vol. 42, №. 1 Feb. 2016
直流自击式喷嘴雾化特性研究
刘孝弟 1,2，顾学颖 2，弭 艳 2
（1.清华大学，北京 100084；2.北京航天动力研究所，北京 100076）
式中 μ1 为液体粘性，Pa·s。
表面张力为：
Fσ =πdσ1
(2)
式中 σ1 为液体表面张力，N·m-1。
气流曳力为：
Fr =Cd·lπd·21
2
ρg u
(3)
式中：Cd 为阻力系数；ρg 为气体密度，kg·m-3。
重力：
Fg
=
π 4
2
dl
ρ1
(4)
式中 ρ1 为液体密度，kg·m-3。
浮力：
Fb
=
【国家自然科学基金】_脉冲射流喷嘴_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
推荐指数 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7
2011年 科研热词 警用脉冲防暴水炮 装置性能 自激式脉冲射流 结构参数 最大射程 数值模
科研热词 试验研究 自激振荡 脉冲射流喷嘴 高速摄影 频率特性 雾化角 雾化 警用脉冲防暴水炮 自激 脉冲防暴水炮 脉冲水射流 脉冲射流 脉冲 石门揭煤 燃油乳化液 液膜 最佳阻尼比 最佳结构参数 最优结构参数 数值模拟 效率 弹性模量 射流结构 射流泵装置 射流 实验研究 圆形射流 喷雾 喷嘴堵头 喷嘴 割缝 光洁度 低压大流量 传递函数 spss统计分析 piv
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
科研热词 脉冲射流 锥形炮管 试验研究 自激脉冲 自激吸气式 自激吸气 脉冲水炮 空化 淹没射流 数值计算 性能 引弧微爆炸加工 工艺参数 工程陶瓷 工作原理 峰值打击力 大涡模拟 喷嘴压力 喷嘴 吸气量 fluent
推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
科研热词 喷嘴 射流 部分析因设计 试验设计 蒸汽射流 自激脉冲 脉冲防暴水炮 流体体积函数 水动力特征 无量纲距离 数学建模 挤压式水射流 平均压力脉冲 圆锥型炮管 压力振荡 优化设计 仿真研究 realizable k-ε 模型
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
自激振荡脉冲水射流喷嘴数值模拟及实验研究
理Ｉ ＾， 研发 ， 设计 ， 制 造
自 激振荡脉冲水 射流喷嘴 数值模拟及实 验研究
李 纲 。 胡 东 （ １ ． 中联 重 科 股 份 有 限 公 司 ， 长沙 ４ １ ０ ０ ０ ７ ２ ． 湖 南 工 业 大学 机 械 工 程 学 院 ， 湖南 株洲 ４ １ ２ ０ ０ ７）
时 均运 动方 程 为
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机械工程师 ２ ０பைடு நூலகம்１ ４ 年 第１ ｏ 期？ ７ １
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理论 ， 研发 ， 设计 ， 制造
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方 向和 速度 分量 （ ｉ 、 ＝ Ｊ ， ２ ， ３ ） ； － ｐ
对 自激振 荡 喷 嘴具 有 良好 的适 应 性 。 进 行求 解 。入 口边 界条 件设 置 为压 力入 口 ， 出 口边 界 条件
设 置 为压 力 出 口 ， 其 他 为对 称轴 和 壁面边 界 条件 。
其中 ， 对 称轴 边 界条件 满足
： ：
就 整 体 而青 ，对 白激 振 荡脉 冲喷 嘴 的研 究 虽取 得 了
它不需要激振源 ， 也无动密封 ， 而是依靠 喷嘴 自身结构特 的 仿 真 结 果 可 知 ， 性将射流 南连续射流调制成一种新型脉冲射流形式 。 重庆 大学 廖振方 、 唐 川 林等 一 从 自激 振荡 机 理 出发 ，
ｊ 碰 撞 壁 形状 对 射 流 振荡 机 理及 效 果 的 影 响规 律 ，并 将
响， 采 用
果表 明 ： ｍｍ 时 ，
０ 引 言
形 网格平铺成结构
由之 前 对 喷 嘴
标 准 一 模 型 对 本
油罐清洗机器人低压自激脉冲喷嘴的仿真设计何勇强
程中， 油品中少量机械杂质、 沙粒、 泥土、 重金属盐类以及石 蜡和沥青质等重油性组分会因比重差而自然沉降积累在油 — —油罐底泥 罐底部， 形成又黑又稠的胶状物质层 —
［1 ］
。 它既
是高浓度的污染物， 处理不当会对环境具有很大的危害性， 又是一种很好的可回收 、 再利用资源。 油罐的清洗一直是石 油储运行业的难点， 而目前在国内外成型的机械化清洗技术 仍然存在系统复杂， 投资巨大， 清洗效果不够明显， 没有完全 免除人工进罐等缺点
［2 ］
。 油泥箱
由抽污管连通至油罐外， 油泥流将被抽出油罐进行油水分 离， 然后分别进行油泥处理和污水处理， 处理后的污水可通 过连接机器人的供水管重新用于清洗 。 本文将基于 CFD 技 术着重分析油罐清洗机器人低压自激脉冲喷嘴的结构参数 配比， 对其进行仿真设计与优化 。
。
为适应时代发展的客观要求， 需要研制一种完全代替人 机动灵活性强， 清洗效率高， 清洗效果明显的油罐清 工进罐， 洗机器人， 为 实 现 安 全、 健 康、 环保式的油罐清洗提供可
2
收稿日期： 2012 － 06 － 18
自激脉冲射流的发生机理
自激振荡脉冲射流是一种结构简单 、 无附加外驱动结
— 360 —
构、 无动密封、 具有较大的变压特性和很强的空化作用的新 型脉冲射流
［6 ］
同时考虑空化因素 常是以混合模型或欧拉模型为基本模型 、 的影响而建立的。 空化模型主要用于发生空化的两相流计 算， 默认初始条件下， 气体体积分数为零， 控制方程包括主相 （ 液相） 连续性方程， 混合相的动量方程、 第二相（ 可凝结汽 体） 的体积分数方程以及相间质量传递方程 。 由于空化或凝 故采用汽泡增长模型由 压力来计算 结并不是瞬间产生的， 气泡粒径的大小
激波诱导矢量喷管动态数值模拟
激波诱导矢量喷管动态数值模拟马伟;杜刚;金捷;廖华琳【摘要】2D dynamic numerical simulation of a shock vector controlled 2D-CD exhaust nozzle was con-ducted to investigate the effect of increasing secondary mass flow on the internal nozzle performance and flow field structure under different nozzle pressure ratios. Results indicate that when the secondary mass reaches a certain value, the thrust of nozzle will undergo a strong oscillation when nozzle is under over-ex-panded condition. The oscillation will be much weaker when nozzle is under either fully expanded or un-der-expanded conditions. This phenomenon is attributed to a series of complex waves near the nozzle outlet and the emergence of back flow. It is also concluded that back flow can enhance the performance of nozzle and enlarge the vector angle.%对一二元收扩激波诱导矢量喷管进行了二维动态数值模拟，研究了不同落压比、不同次流加速时间下，喷管气动特性和流场结构随次流增加的变化规律。
气举用脉冲进气自激振荡空气喷嘴数值模拟与试验研究
气举用脉冲进气自激振荡空气喷嘴数值模拟与试验研究唐川林;梁晶晶;胡东;杨凤玲;程宏贵【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2024(43)12【摘要】气举(气力泵)广泛应用在海洋采矿、钻孔水力开采、深水清淤等场合,越来越引起用户的重视。
国内外学者对提升气举效率做了不少探索性研究,提出了脉冲进气是有效提升气举效率的途径之一,据此,提出一种亥姆霍兹式空气喷嘴,通过此喷嘴产生脉冲射流作为气举的进气方式,达到改善气举性能的目的。
依据波涡理论,分析了自激振荡脉冲射流的产生机理;运用Fluent软件,对自激振荡空气喷嘴内流场进行了数值模拟,基于仿真结果进行试验研究。
研究表明:结构参数和运行参数对射流特性影响显著。
在入口压力为3 bar(1 bar=1×10~5 Pa),腔长L=64 mm,频率为8 Hz情况下,压力脉动波动差值和幅值最大,产生的空气脉冲射流最显著;幅值随腔长的增大先上升后下降。
数值模拟与试验结果一致。
研究成果可为空气脉冲射流与气举一体化的工程应用提供参考,具有较高的工程应用价值。
【总页数】7页(P30-35)【作者】唐川林;梁晶晶;胡东;杨凤玲;程宏贵【作者单位】湖南人文科技学院能源与机电工程学院;湖南人文科技学院水射流实验室;娄底潇湘职业学院汽车机电工程学院【正文语种】中文【中图分类】TH4【相关文献】1.自适应返气装置的数值模拟与试验研究2.天然气发动机燃烧和排放数值模拟与试验研究3.二冲程汽油机扫气过程的CFD数值模拟与试验研究4.潜水自引气曝气机的数值模拟与试验研究5.异形气雾罐的数值模拟与试验研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于VOF模型的自激振荡型喷嘴CFD仿真
基于VOF模型的自激振荡型喷嘴CFD仿真
张正付;王俊伟;鲍峰
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2012(041)002
【摘要】普通喷嘴喷出的水柱是直线型的,在普通喷嘴中加入倒U型和三角形结构,就能够使得喷嘴喷出来的水柱呈现振荡形式.利用多相流VOF (Volume of Fluid)模型模拟内建振荡结构的喷嘴的喷射流动过程,CFD仿真结果显示,喷嘴喷射的水柱呈现上下摆动的状态,和真实情况相吻合.
【总页数】2页(P21-22)
【作者】张正付;王俊伟;鲍峰
【作者单位】厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门 361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门 361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门 361005【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
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3.埙型结构喷嘴自激振荡脉冲空化射流的数值模拟 [J], 戚美;王立夫;陈庆光;张永超;赵见龙;鞠永恒
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5.基于自激振荡脉冲效应的雾化喷嘴出口流道空化特性研究 [J], 汪朝晖;胡亚男;廖振方;高全杰;陈思
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