射流振荡器的回流特性和切换特性研究

射流振荡器的回流特性和切换特性研究
吴西云;董金钟
【摘要】射流振荡器是一种能在入口提供定常流动,出口产生非定常脉动射流的流体器件.本文以数值模拟为主要手段,研究一种射流振荡器内部流场特征,并研究其回流特性和切换机理.提出主射流沿着其中一个出口流出,由于受到腔体低压区的作用,另一个出口产生回流.回流程度随进出口压力和环境温度的升高而减小,随劈距的增加而增大.随控制端流量的增加,出口相对入口流量不断减小,继续增加控制端流量,射流发生切换.对射流振荡器的研究设计具有一定的参照意义.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2016(016)032
【总页数】5页(P314-318)
【关键词】射流振荡器;数值模拟;回流程度;切换
【作者】吴西云;董金钟
【作者单位】北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京100191;北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京100191
【正文语种】中文
【中图分类】V211.3
射流振荡器是以流体为工作介质，从入口引入一股定常射流能在出口产生非定常脉动射流的流体器件。

它的结构简单，体积小，不需要任何可动部件，且能适应强辐射、强腐蚀、强振动和强冲击等极端复杂的工作环境，具有非常广泛的应用。

由于科恩达效应[1]的影响，流经喷嘴的射流会发生偏转并逐渐沿着其中一个扩张壁面流动，流向出口，同时在控制流的作用下，主射流发生偏转流向另一个出口，这样周而复始引起射流的周期性振荡。

国内外对射流振荡器的流场特性及切换特性等方面做了大量的研究。

如Douglas Feikema等[2] 定义控制端射流和入口流量的动量通量的比值来研究射流振荡器的切换特性，提出这个比值过大或过小都会影响射流振荡器的切换性能，并得出这个比值约为0.25时能使切换效果最好。

Vaclav Tesar等[3]将两个控制端用一管道连接，在两端压差的作用下，产生射流的振荡，振荡的频率与管道的长度有关。

Vaclav Tesar[4]将两个不同尺寸的射流振荡器串联在一起，尺寸小的称为主动装置，产生高频振荡气流，控制大尺寸振荡器产生大流量振荡气流。

杨永印等[5]主要介绍了附壁式双稳射流元件的原理，并应用fluent数值模拟的方法详细阐述了主要结构参数的设计原则，对射流元件的设计具有一定参考意义。

汪志明等[6]运用计算流体力学的方法模拟了射流原件内部稳定附壁与射流切换的流动过程，并得出控制流上游来流位置对射流附壁影响很大。

白亚磊等[7]以数值模拟为主要手段，研究一种附壁射流元件内部流场的速度和压力分布，并研究其非定常流动机理。

提出主射流的偏转是由主射流两侧的压差导致射流偏斜，进而形成一低压涡流区，低压涡流诱导主射流附壁。

附壁射流元件的偏转特性与其几何结构和流体雷诺数有关。

本文应用数值模拟的方法，研究射流振荡器的回流特性以及切换机理，对射流振荡器的研究设计具有一定的参照意义。

射流振荡器的几何结构如图1所示。

S为入口，O1、O2为两个出口，C1、C2为两个控制端。

入口直径D 12 mm，喷嘴宽度B 2 mm，整个几何结构模型长95 mm，宽46 mm。

使用网格生成软件Gambit 构造非结构网格如图2所示，对近壁区及喷嘴附近区域进行了局部加密处理，经过网格无关性检验后，网格数量约为10万。

使用流体力学软件Fluent 15.0进行求解，求解方程组为二维可压缩流的基本方程组。

流体介质采用理想空气，湍流模型选取k-ωSST模型[8]。

壁面采用无滑移边界条件，入口边界设置为压力入口，出口边界为压力出口，压力p=101 325 pa，即环境压力(参考压力设置为0)。

采用稳态和非稳态进行数值求解，时间步长取为1×10-4 s。

2.1 射流的附壁过程
主射流在初期，两端的压降相同，射流不发生偏转，一直处于对称分布状态，由于受到射流的扩散和卷吸作用，以及分流劈的影响，射流两侧出现不对称的小尺度旋涡[9]，导致射流两端的压降发生变化，平衡渐渐地被打破，射流开始随机地向其中一个扩张壁面流动，在压差的作用下，射流的偏转程度逐渐加大，最后射流稳定地贴附于其中一个壁面流向出口。

图3和图4所示射流稳定附壁后的速度和压力云图。

由图可以看出射流已经稳定地沿着上端壁面流向出口O1。

2.2 射流出口“抽吸”现象分析
如上所述，入口给定一定量的压力或者流量，受科恩达效应影响，主射流会沿着其中一个壁面流向出口O1，同时，在另一个出口O2，流体会倒吸回射流振荡器内部。

这是由于射流的扩散和卷吸作用，自喷嘴出来的高速气流会带走腔体周围静止的流体，由伯努利方程(1)[10]可知，总压一定，腔体内速度升高，动压升高，导致静压降低，在压差的作用下，致使另一个出口气流倒吸回来，产生回流，两个出口出现“一抽一吸”现象，如图5所示。

2.3 出口回流程度分析
定义进出口压比ω=ps/po，其中ps为入口压力，po为出口压力；回流比s，其中r表示回流流量(本文中为出口O2流量)，s 为入口流量，射流比o，其中o表示射流流量(本文中为出口O1流量)。

进一步分析出口回流程度的影响因素，固定出口的压力为环境压力，改变入口的压力(总压)，得到进出口压比对回流比α和射流比β大小的影响如图6所示。

随着进出口压比的增大，射流总压增大，速度增加，动压也随之增加，且增加更快，使得腔体静压更低，出口的回流量增大，但是由图6可以看到，回流比α和射流
比β都在不断减小(进出口压比从1.03增加到1.5，α减小20.2%，β减小
15.36%)。

可见，随着进出口压比的增大，射流振荡器出口回流程度不断减小。

固定进出口压比为1.1，改变入口温度，分析不同的温度条件下射流振荡器出口回流程度的影响，如图7所示。

根据气体动力学流量公式:
最后分析射流振荡器结构的变化对出口回流程度的影响。

令无量纲劈距C=L/B，L 表示劈距，B表示喷嘴宽度。

如图8所示，随着劈距的增加，回流比α和射流比β也随之增加，而且增加幅度明显(C从2.85增加到12.35，α增加189.06%，β增加109.6%)。

这是因为在进出口压比一定的情况下，入口流量不变，随着劈距的增加，腔体体积也随之增加，使得腔体静压降低，回流量增加，回流程度明显提高。

2.4 射流的切换过程
前已提及，控制端添加激励，出口会产生周期性振荡射流。

定义s表示控制端流量相对于入口流量的比值，s为出口流量相对于入口流量的比值。

现固定μc=0.2，
采用相位平均方法[11]，当射流沿出口O1流出时，设置相位角φ为0°，进行非
稳态计算，分析随不同入口流量s的变化，出口O1流量随相位角度的变化(这里
规定射流流出振荡器为负值，流入为正值)，如图9所示。

由图9可以看出，随着入口流量的增加，出口O1的流量大小无论是流出还是流入(回流)都在不断增加。

但是，两个出口流量相对入口流量的变化情况如图10所示，由图10可以看到尽管入口流量增加，但是两个出口的流量相对入口流量却在不断
减小。

现固定入口流量不变，改变控制端流量大小，图11所示为在控制端C1的作用下，出口O2的流量相对入口流量的变化曲线。

当控制端C1流量为0时，如图11中的状态A，射流沿着上端壁面流向出口O1，出口O2出现回流，μo2=0.382，此时的流线图如图5所示。

随着C1控制端流量逐渐增大，μo2逐渐减小，这是由于控制端C1流量与主射流的相互作用，造成腔体静压升高，回流量减小，当C1端流量增大到状态B时(μc1=16%)，如图12所示。

此时射流仍从出口O1流出，出口O2产生回流。

继续增加控制端C1流量，到达状态C(μc1=18.33%)，如图13所示。

此时射流已经从出口O1切换到出口O2，出口O1产生回流。

此时若再增加控制流C1，出口O2的流量相对入口的流量也会随之增加，相反，
若从C状态开始，逐渐减少控制端C1的流量，显然，不会回到状态B，而是会如图11所示，回到状态D，如图14所示，此时μc1=0，μo2=-1.382。

研究了射流振荡器的回流特性和切换特性，对射流振荡器的研究设计具有一定参考意义，具体的研究结果有以下几点。

(1)主射流在科恩达效应的作用下发生偏转，最终沿着其中一个扩张壁面流向一个
出口，同时在另一个出口，由于压差的作用，气流倒吸回射流振荡器内部，形成回流。

(2)回流比α和射流比β表征射流振荡器的回流程度，分析了回流程度的影响因素：
① 随着进出口压比的增加，回流程度降低(进出口压比从1.03增加到1.5，α减小
20.2%，β减小15.36%)；
② 随着环境温度的升高，回流程度增加(温度从300 K增加到1 000 K，α增加
8.44%，β 增加5.99%)；
③ 随着劈距的增加，回流程度大幅度增加(C从2.85增加到12.35，α增加
189.06%，β增加109.6%)。

(3)模拟了主射流在控制端的作用下发生切换的过程，固定控制端相对入口流量比
值μc，随着入口流量的增加，出口相对入口流量之比μo却在不断减小；固定入
口流量，控制端流量不断加大，出口回流量程度不断减小，当继续增加控制端流量，射流发生切换。

【相关文献】
1 James W. Gregory. A review of fluidic oscillator development and application for flow control. AIAA，2013：2474
2 Feikema D，Culley D. Computational fluid dynamic modeling of a fluidic actuator for flow. AIAA，2008：557
3 Tesar V，Hung C H，Zimmerman W B. No-moving-part hybrid-synthetic jet actuator. Sensors and Actuators a:Physicals，2006；125(2):159—169
4 Tesar V. "Master and slave" fluidic amplifier cascade. The European Physical Journal Conferences, 2012；25:1093
5 杨永印，孙伟良，徐金超,等.附壁式双稳射流元件的设计.液压与气动,2010;(2):62—64
Yang Yongyin，Sun Weiliang，Xu Jinchao，et al. Design of wall-attached bistable fluidic element. Hydraulic and Pneumatic, 2010;(2):62—64
6 汪志明，薛亮.射流元件附壁与切换流动规律研究.水动力学研究与进展, 2007；22(3):352—356 Wang Zhiming，Xue Liang. Study on the attached flow and alteration flow character in fluidic element of down hole pressure intensifier.Journal of Hydrodynamics, 2007；
22(3):352—356
7 白亚磊，明晓. 附壁射流元件的仿真研究.南京航空航天大学学报,2008；40(1)：32—36
Bai Yalei，Ming Xiao. Numerical simulation of wall-attached jet device. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2008；40(1)： 32—36
8 Kara K. Numerical study of internal flow structures in a sweeping jet actuator. AIAA, 2015: 2424
9 王驰宇.射流流量计的关键技术研究.杭州：浙江大学，2008
Wang Chiyu. Research on key technologies in fluidic flowmeter.Hangzhou: Zhejiang University，2008
10 潘锦珊，单鹏.气体动力学基础. 北京：国防工业出版社，2011: 81—98
Pan Jinshan，Shan Peng. Basis of gas dynamics. Beijing: National Defence Industry Press，
2011:81—98
11 Ostermann F，Woszidlo R，Nayeri C N，et al. Phase-averaging methods for the natural flowfield of a fluidic oscillator. AIAA, 2015；53(8): 2359—2368。