高頻微射流試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)*

羅 靜，李 健，申 躍，詹 捷

（重慶理工大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院；b.工程訓(xùn)練中心；c.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054）

高頻微射流試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)*

羅 靜a，李 健a，申 躍b，詹 捷c

（重慶理工大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院；b.工程訓(xùn)練中心；c.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054）

為了對高頻微射流控制的圓射流流場的特性進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一套高頻脈沖微射流控制圓射流的試驗(yàn)臺。包括氣體處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和脈沖發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過氣體處理系統(tǒng)可以使氣體的流動狀態(tài)符合試驗(yàn)要求；脈沖發(fā)生器采用結(jié)構(gòu)緊湊的電主軸轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)閥的高速旋轉(zhuǎn)形成高頻微射流。利用對伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制來實(shí)現(xiàn)微射流不同的激勵頻率，微射流激勵頻率主射流大渦頻率比FV/F0值在0～5范圍內(nèi)變化，利用該試驗(yàn)臺可以精確的實(shí)現(xiàn)微射流在不同流量和激勵頻率條件下對圓形射流流場的控制。

射流試驗(yàn)臺；微射流；高頻脈沖；電主軸結(jié)構(gòu)

0 引言

氣體燃料發(fā)動機(jī)等動力機(jī)的發(fā)展，對燃?xì)獾膰娚錉顟B(tài)、燃?xì)馀c空氣混合程度提出了更高要求。控制射流的混合過程，是減少噪聲、高效燃燒、增加飛機(jī)火箭等推力等應(yīng)用的基礎(chǔ)，通過徑向微射流來增強(qiáng)主射流與周圍流體混合的方法最早由Davis［1］提出。通過使用周期變化的微射流實(shí)現(xiàn)對圓形射流流場控制研究，設(shè)計(jì)一套基于高頻微射流控制的圓射流流場的試驗(yàn)臺，實(shí)現(xiàn)對高頻微射流控制圓射流流場進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)臺原理圖

圖1 高頻脈沖微射流試驗(yàn)臺原理圖

圖1所示為該試驗(yàn)臺的原理圖，高壓氣體由氣源系統(tǒng)提供，經(jīng)開關(guān)閥進(jìn)入氣體調(diào)制系統(tǒng)，氣體調(diào)制系統(tǒng)分為主射流調(diào)制系統(tǒng)和微射流調(diào)制系統(tǒng)，分別對主射流和微射流進(jìn)行調(diào)制、調(diào)壓處理。其中主射流氣體經(jīng)過緩沖室進(jìn)入射流管中進(jìn)行整流，在經(jīng)過射流管左端的收縮段加速進(jìn)入脈沖發(fā)生段。與此同時(shí)，微射流氣體經(jīng)過管道進(jìn)入微射流恒壓室中，再分6路通過轉(zhuǎn)閥上的微孔垂直射入主射流中，與主射流形成混合射流經(jīng)噴嘴噴入大氣中形成外部流場。

2 試驗(yàn)臺的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面；

（1）因?yàn)闅庠从煽諝鈮嚎s機(jī)提供，氣體流動具有脈動性，并且含有雜質(zhì)較多。因此設(shè)計(jì)一套氣體質(zhì)量處理系統(tǒng)，使試驗(yàn)氣體在試驗(yàn)段的流動特性符合試驗(yàn)要求。

（2）本試驗(yàn)臺要實(shí)現(xiàn)微射流以一定的頻率射入主射流氣體中，因此需要對高頻脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)簡單，微射流激勵頻率調(diào)節(jié)方便準(zhǔn)確。

試驗(yàn)臺的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 高頻脈沖射流試驗(yàn)臺總體結(jié)構(gòu)

2.1 試驗(yàn)臺氣體處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣源輸送的高壓空氣流動不穩(wěn)定，而且空氣重含有固體顆粒、水分、油分等各類雜質(zhì)。設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺的氣體處理系統(tǒng)，對氣體進(jìn)行流動狀態(tài)機(jī)質(zhì)量進(jìn)行處理改善。如圖2，氣體處理系統(tǒng)包括；7收縮段、8、整流管、9銅網(wǎng)、10擴(kuò)散段、11擴(kuò)散網(wǎng)、12緩沖室、13氣體調(diào)制處理系統(tǒng)組成。氣體首先通過13氣體調(diào)質(zhì)處理系統(tǒng)進(jìn)行除水、過濾等，在進(jìn)入12穩(wěn)壓室中進(jìn)一步消除氣體的脈動特性，穩(wěn)定后的氣體經(jīng)過10擴(kuò)散段的擴(kuò)散進(jìn)入到8整流管內(nèi)，通過整流管的整流效果，氣體流動均勻穩(wěn)定，均勻流動的氣體通過7收縮段的收縮加速，在射流管噴嘴處形成符合實(shí)驗(yàn)要求的主射流。

主射流氣體經(jīng)7收縮段加速經(jīng)噴嘴噴出的氣流的流動狀態(tài)對實(shí)驗(yàn)的影響很大。由文獻(xiàn)［2］可知，自由射流中，氣體由噴管出口射入靜止環(huán)境中的流體與周圍流體之間存在著速度間斷面，此間斷面是不穩(wěn)定地，一旦受到擾動將失穩(wěn)而產(chǎn)生漩渦，加速射流與周圍流體的摻混。Mi等人［3］研究了平滑收縮曲線噴嘴和長直管噴出的射流的外部流場的流動特性，得到湍流射流流場的流動發(fā)展過程取決于射流的初始狀態(tài)，即與噴嘴出口處射流的初始邊界層的厚度、湍流度有密切的關(guān)系。平滑收縮曲線噴嘴的射流，出口湍流度小，具有很薄的邊界層，因此流動及不穩(wěn)定，在流場中觀察到了明顯的大渦結(jié)構(gòu)。而長直管噴嘴的射流具有很厚的邊界層，流場中沒有發(fā)現(xiàn)渦結(jié)構(gòu)。

本試驗(yàn)臺的實(shí)驗(yàn)原理就是通過高頻微射流利用射流大渦的擬序結(jié)構(gòu)的特性實(shí)現(xiàn)對射流流動狀態(tài)的控制，要求主射流要具有很好的初始流動狀態(tài)。因此選擇收縮段曲線的收縮方程［3］；

其中；X為收縮段距離起點(diǎn)的距離，R為在X處收縮段的半徑，L為收縮段的長度本試驗(yàn)臺，收縮段長度取L=170mm。

2.2 脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)

2.2.1 脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

脈沖發(fā)生器是試驗(yàn)臺重要結(jié)構(gòu)，是本試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

在試驗(yàn)平臺上進(jìn)行的射流控制實(shí)驗(yàn)研究，主射流從射流器的圓形噴嘴（直徑為20mm）射出，射流出口速度范圍為3～6m/s，相應(yīng)的雷諾數(shù)范圍為4000～8000。因?yàn)樯淞鞯臒o維大渦頻率（Strouhal number，簡稱St數(shù)）為0.3～0.4，由公式（F0為射流大渦頻率，V為主射流速度，D為射流噴嘴直徑。）可得到本試驗(yàn)中射流的大渦頻率F0應(yīng)在45～120Hz范圍內(nèi)。而微射流的激勵頻率FV最大值為5 F0。因此微射流激勵頻率從取值范圍為0Hz～600Hz。

此試驗(yàn)臺由于射流器噴嘴的長度較短，空間受限，不能采用常規(guī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動方式，而且微射流的脈沖頻率范圍為0Hz～600Hz，脈沖頻率多分布在高頻范圍，因此，傳統(tǒng)的電磁脈動開關(guān)從頻率范圍、響應(yīng)速度、空間尺寸和同步性上均不能滿足要求。為解決這一關(guān)鍵問題，本設(shè)計(jì)采用電主軸轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)，如圖3所示。電機(jī)采用美國丹那赫公司的RBE直流伺服電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為N=0～6000r/min，將轉(zhuǎn)閥9直接安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子6上，轉(zhuǎn)閥9徑向均勻開有直徑D=1mm的6個(gè)小孔，孔之間相隔60°，轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)如圖4所示。微射流分配器5上開有6個(gè)均勻分布的直徑3mm的孔道。微射流恒壓室的高壓氣體通過管道進(jìn)入微射流分配器5的孔道中。轉(zhuǎn)閥9與微射流分配器5構(gòu)成了脈沖發(fā)生器。當(dāng)轉(zhuǎn)閥上的6個(gè)均勻分布的孔與電機(jī)后蓋上的6個(gè)均勻分布的孔的中心線重合時(shí)，發(fā)生一次微射流。

圖3 高頻微射流試驗(yàn)臺脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)

圖4 轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)圖

本試驗(yàn)臺微射流頻率控制系統(tǒng)采用的RBE直流伺服電機(jī)，其動態(tài)響應(yīng)時(shí)間為0.1ms，由于采用電主軸傳動方式，轉(zhuǎn)閥9直接安裝在伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子6上，消除了機(jī)械傳動系統(tǒng)的影響，同時(shí)轉(zhuǎn)閥采用鋁合金材料，結(jié)構(gòu)尺寸小，慣性矩小，因此可以認(rèn)為轉(zhuǎn)閥的響應(yīng)時(shí)間約等于伺服電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間，完全滿足控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間的要求。

2.2.2 脈沖發(fā)生器激勵頻率的實(shí)現(xiàn)

微射流的激勵頻率由脈沖發(fā)生器來控制。電機(jī)帶動轉(zhuǎn)閥旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)閥上的均勻分布的6個(gè)孔與微射流分配器的6個(gè)孔道的中心線重合的時(shí)候，高壓氣體經(jīng)過由孔道經(jīng)過轉(zhuǎn)閥上面的小孔射入主射流中，形成微射流。通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而可以控制微射流的激勵頻率。轉(zhuǎn)閥跟微射流分配器上面的孔道均是均勻分布的6個(gè)孔。因此微射流激勵頻率FV的計(jì)算公式；

其中；N為電機(jī)轉(zhuǎn)速。而RBE直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速取值范圍為N=0～6000r/min，伺服電機(jī)處于最大轉(zhuǎn)速，微射流脈沖激勵頻率取得最大值，則

微射流激勵頻率取值范圍為0Hz～600Hz，微射流與主射流頻率比FV/F0在0～5的范圍內(nèi)變化，滿足試驗(yàn)臺的相關(guān)要求。

2.2.3 脈沖射流試驗(yàn)臺高頻控制方式

圖5 高頻脈沖射流試驗(yàn)臺頻率控制原理圖

探討微射流激勵頻率對主射流的流動特性的影響，微射流激勵頻率的取值的準(zhǔn)確性尤為重要。本試驗(yàn)臺通過控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，間接控制轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)不同的微射流激勵頻率，要實(shí)現(xiàn)精確的微射流激勵頻率，就需要對伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確的控制。圖5為本試驗(yàn)臺頻率控制原理圖。

伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過光柵信號采集器進(jìn)行檢測，并通過控制器對伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確的控制，進(jìn)而精確的控制不同的微射流激勵頻率。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)高頻脈沖微射流試驗(yàn)臺，包括氣體處理系統(tǒng)和高頻脈沖微射流發(fā)生器系統(tǒng)，氣體處理系統(tǒng)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對氣體的調(diào)質(zhì)、調(diào)壓處理，滿足實(shí)驗(yàn)對氣體質(zhì)量及流動狀態(tài)的要求。高頻脈沖微射流發(fā)生器，采用結(jié)構(gòu)緊湊的電主軸轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)，通過精確的調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，方便準(zhǔn)確的控制微射流的激勵頻率。

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（編輯 李秀敏）（編輯 李秀敏）

Design a Micro-jet Test Bench with High-frequency

LUO Jinga，LIJiana，SHEN Yueb，ZHAN Jiec
（a.School of Mechanical Engineering；b.Engineering Training Center；c.Key Laboratory of Manufacture and Test Techniques for Automobile Parts Ministry of Education，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）

；In order to research the characteristic of the round jet flow which controlled by micro-jets with high frequency，design a platform which use micro-jets control themain round jet.Including to design a gas processing system and a Pulse generator system，through the gas processing system can make the flow state to meet the requirements of the test；Pulse generator uses a compact spindle rotary valve structure，high-frequency micro-jet formation by high-speed rotation of the rotary valve.Based on the control of the speed of the servomotor to achieve micro-jets with different excitation frequency，the ratio value of the micro-jets excitation frequency and the main round jet large eddy frequency FV/F0is from 0 to 5，using this test bench can realize micro-jets under the different conditions of flow rate and excitation frequency to control the round jet flow field accurately.

；jet test bench；micro-jets；high-frequency pulse；spindle structure

TH139；TG65

A

1001-2265（2015）05-0134-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.038

2014-09-18；

2014-10-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275550）

羅靜（1974—），女，重慶人，重慶理工大學(xué)教授，研究方向?yàn)榧芍圃旒夹g(shù)及裝備，（E-mail）luojing@cqut.edu.cn；通訊作者；李?。?987—），男，山東萊陽人，重慶理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榧芍圃旒夹g(shù)及裝備，（E-mail）627990916@qq.com。