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。

振荡腔腔长越大，固有频率越小，存在产生最大谐振峰值的最佳腔长。自激振荡喷嘴的设计应使喷嘴系统的低通频带包含来流的主频带，并使喷嘴的固有频率接近来流脉动主频，系统的阻尼比小和放大倍数大，才能获得更好的压力振荡效果。

文献[5]的研究表明：自激振荡腔能够放大腔内存在的压力扰动的频率是离散的，即：压力扰动的频率是自振腔固有频率的整数倍或与之相等时，谐振便可产生。

3. 自激振荡冲射流的频率特性

在自激振荡脉冲射流中，射流的振荡频率直接影响射流的空化效果和冲蚀能力，自激振荡脉冲射流的频率特性由喷嘴结构和射流本身特性两方面决定，如果流体的激励频率与喷嘴结构的固有频率特性相匹配，射流的压力振荡会更剧烈，冲蚀效果更佳。其中结构参数主要包括上、下喷嘴直径，下喷嘴锥度、腔径和腔长；而运行参数主要是指上喷嘴的入口压力。

传统的方法是从水声学的角度对自激振荡脉冲射流喷嘴进行分析建模。得到自激振荡腔室的固有频率表达式为。基于简化后的水声学模型过于粗糙，所考虑的因素很不全面。

目前国内外的许多学者分别从多个角度研究了该型喷嘴的频率特性。重庆大学的廖振方[11，12]教授等另辟蹊径根据相似理论建立了自激振荡脉冲射流装置的流体网络模型，研究了结构参数以及流体参数对其频率特性的影响。他们利用基于相似原理的流体网络理论建立的结构模型和网络模型如图1和图2所示，图中为管路直径；为腔室直径，为上喷嘴直径，为下喷嘴直径，为管路长度，为腔室长度，r1、r2代表喷嘴的上下喷嘴的流动阻力，；为喷嘴前管路流感，；为振荡腔室流容，。

图1 振荡喷嘴结构模型

可以得出喷嘴频率特性是非线性的，对不同频率的来流输入，喷嘴输出压力响应不同，具有压力谐振特性和低通滤波作用，在系统固有频率附近，响应幅值最大；不同的流体压力对应不同的系统固有频率，压力大则固有频率也较高，但不同压力时系统的谐振峰值基本不变。

图2喷嘴等效网络模型

由于射流振荡频率受压力波波速直接影响，而波速与振荡腔室的结构和射流本身特性的有关。振荡腔内碰撞剪切流动中的波速对自激振荡脉冲射流的频率影响较大，波速减少使频率减少；射流的频率随压力的增加而增大；流体中气体含量由于对波速的影响很大，因此对喷嘴的频率特性影响同样很大。

4 . 自激振荡喷嘴研究方向

（1）多种射流的综合与叠加，改变单一的射流模式，将多种射流模式结合在一起，集合磨料射流、空化射流、脉冲射流的优势，优化射流参数，提高射流效果。

（2）改善目前研究不足的现状，强化自激振荡喷嘴的理论研究，提高喷嘴固有频率计算精度，提高喷嘴稳定性，优化喷嘴参数，特别是在满足工程需求的前提下，尽可能降低喷嘴压力，在适当的喷嘴压力下，形成足够打击力的喷射流动。

（3）将自激振荡射流应用于雾化领域，利用一种流体的动压头使沿相反方向运动的另一股流体射流失稳，进而使液体破碎成液带和液滴，叠加上射流的震荡和空化作用，能够形成高效的撞击式雾化喷嘴，可显著简化喷嘴结构，提高液体射流撞击雾化和混合效果。

参考文献

[1] Rockwell D. Prediction of Oscillation Frequencies for Unstable Flow Past Cavities. ASME. Journal of Fluids Engineering. Vol.99， 1977： 294～300.

[2] Rockwell D. Naudascher E. Review Self-sustaining Oscillating of Flow Past Cavities. ASME. Journal of Fluids Engineering. Vol.100， 1978： 152～165.

[3] Johson V.E. Conn A.F. The Development of structured Cavitating Jet for Deep hole Bits[C]. SPE 11060， 1982.

[4] Liao Z F， Huang D S1 Nozzle Device for the Self–Excited Oscillation of a Jet [C]. Proceedings 8th Int.. Symp On Jet Cutting Technology.1986.