双腔室自振脉冲喷嘴空化射流数值模拟_于海涛.pdf
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1、以风琴管喷嘴为基础,串联一个谐振腔形成双腔室自激振荡脉冲喷嘴,利用 对其流场进行数值模拟,分析射流靶距、二级谐振腔腔长比、腔径比的变化对空化射流流场的影响。结果表明:谐振腔尺寸过大或过小均会影响涡环结构的形成,进而影响空化效果。当谐振腔腔长比为、腔径比为 时,谐振腔内涡环结构对称性好,轴向含气率高,射流速度较高,该结构利于清洗效率的提高。靶面滞止压力可对空化效果产生影响。当射流靶距较小时,在滞止压力的作用下二级谐振腔无涡环结构产生,轴向含气率较低。当靶距增加到 时滞止压力产生的影响减小,轴向含气率明显提高,因此清洗靶距应至少为 。但靶距的增加会降低射流到达靶面的动能,因此最佳靶距应取 。关键词
2、:空化;风琴管喷嘴;自激振荡;双腔室中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,:;空化是指当流体内的压力低于其饱和蒸气压时,流体中的空化核析出、发展、溃灭的过程。由于空化核在溃灭过程能对固体表面产生强大的破坏作用,因此,等提出将空化与水射流技术结机 械 科 学 与 技 术第 卷:合产生空化水射流能极大提高射流的冲蚀能力。空化水射流技术在石油钻井、清洗除锈、金属喷丸等领域有着广泛应用。等利用高速摄像研究了角形空化喷嘴的扩散角对空化云的非定常流动特性的影响,并对靶面的冲蚀机理进行分析。等实验研究了倾斜表面上空化射流的冲蚀及其自激振荡行为,分析了冲蚀形貌与射流振荡频率随角度的变化规律。张坤等
3、对自激脉冲喷嘴采用 种湍流模型进行数值计算对比,并分析了谐振腔一个振荡周期内空化初生、发展的演变过程。等采用高速摄像对空化云的溃灭形态进行观测,并对靶面冲蚀坑深度及数量进行了分析。王萍辉等对射流振动信号进行分析,研究了喷嘴自激振动频率特性,得到了实验工况下最佳喷嘴结构。李根生等利用水声学原理和瞬态流理论对风琴管喷嘴的工作原理进行分析,得到了谐振腔结构的基本设计模式。戚美等对双腔室自振空化喷嘴的内流场进行仿真计算,分析了来流雷诺数、腔长比和腔径比对空化流场的影响。邓嵘等利用 优化了双腔室自振喷嘴的二级谐振腔结构,并与单腔室自振空化喷嘴的射流打击力进行了对比分析。为了提高喷嘴的空化射流能力,相关学
4、者对单腔室喷嘴的射流机理、结构尺寸等方面做了大量研究,但对双腔室自振空化射流喷嘴的相关研究较少。因此,本文基于风琴管喷嘴串联一个二级谐振腔形成双腔室自振空化喷嘴,利用 对其内外流场展开研究,分析谐振腔的腔长比、腔径比和射流靶距对空化射流效果的影响,旨在提高喷嘴的清洗效率。计算模型 物理模型根据蔡腾飞等和唐川林等研究的喷嘴结构为主,建立的双腔室自振脉冲喷嘴由风琴管喷嘴与二级谐振腔两部分构成,其结构尺寸如图 所示。图 喷嘴二维示意图 双腔室喷嘴中风琴管喷嘴段尺寸:入口腔直径.,谐振腔直径 .,圆柱段直径 ,入口腔长 ,谐振腔长.,圆柱段长 ,扩散段长.,扩散角。二级谐振腔段尺寸:谐振腔长 ,谐振腔
5、直径.,出口圆柱段直径 ,圆柱段长 ,扩散段长 ,扩散角。来流经风琴管喷嘴谐振腔产生自激振荡后进入二级谐振腔,在二级谐振腔的作用下射流自激振荡得到加强,使空化射流效果得到进一步提高。数学模型时均后的 方程如下:()()()()()式中:、略去平均号“”,表示平均速度分量、平均压力;为流体动力黏度;为流体密度;为雷诺应力,需要对其建立湍流模型对方程进行封闭。模型输运方程:()()|()()()|()()式中:为速度梯度产生的湍动能项;为浮力产生的湍动能项;为湍流脉动膨胀对总耗散率的贡献项;、为湍流 数;、为常数项;、为自定义源项。空化模型为()()()式中:为汽相体积分数;为汽相密度;为液相密度
6、;为混合相密度;为汽相速度。网格的划分与边界条件的设定对计算域采用 进行网格划分。为了提高计算精度,对网格局部加密,并进行网格无关性分析,当网格数为 时可满足计算要求。由于喷嘴计算域为轴对称结构,取二维模型的一半进行数值计算。在距离喷嘴出口 处设置射流冲击靶面。喷嘴的网格划分如图 所示。第 期 于海涛,等:双腔室自振脉冲喷嘴空化射流数值模拟:图 计算域网格划分喷嘴入口条件设为,压力值设为。喷嘴出口条件设为,压力值设为.。求解器采用压力速度耦合算法,采用 阶迎风离散格式,用壁面函数法对近壁区处理。计算结果分析 谐振腔腔长比对空化流场的影响谐振腔尺寸会对射流自激振荡产生显著影响,进而改变空化射流效
7、果。本文定义谐振腔腔长比为 ,通过改变,腔长比 分别取.,.,.,.得到图 所示流线图。图 腔长比 不同时的流线图 由图 可知,当腔长比为.时,二级谐振腔内无明显涡环结构产生。当腔长比增加到.时开始出现明显的涡环结构流线,且对称性较好。随着腔长比 增加,过大的腔长比减弱了谐振腔碰撞壁对射流的反馈作用,降低了自激振荡效果,导致涡环结构对称性变差。涡环结构对称性变差使射流剪切及压力分布受到影响,进而影响到能量的耗散及空化核的发育。图中可见,不同腔长比喷嘴其最高射流速度分别为.,.,.,随着腔长比增加,射流速度降低,这是因为随着谐振腔长度增加,涡环结构对称性变差,射流能量耗散增大引起的。图为不同腔长
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