基于活塞作用下的管內(nèi)氣流脈動(dòng)特性

凌長(zhǎng)明，彭麗明，徐 青，伍振海

基于活塞作用下的管內(nèi)氣流脈動(dòng)特性

凌長(zhǎng)明1，彭麗明2，徐 青1，伍振海1

（1. 廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2. 廣東科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 東莞 523012）

【目的】研究氣流管路中活塞運(yùn)動(dòng)對(duì)氣流的擾動(dòng)機(jī)理，探討機(jī)械能轉(zhuǎn)化成脈動(dòng)能的轉(zhuǎn)化規(guī)律及效率。【方法】建立活塞對(duì)管內(nèi)氣流作用的物理與數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究不同工況下的活塞運(yùn)動(dòng)對(duì)勻速氣流的擾動(dòng)特性，分析不同進(jìn)口氣流速度、活塞運(yùn)動(dòng)振幅及頻率對(duì)勻速氣流的擾動(dòng)規(guī)律?！窘Y(jié)果與結(jié)論】活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)能有效使管路內(nèi)勻速氣流產(chǎn)生脈動(dòng)。管路內(nèi)氣流脈動(dòng)振幅及頻率不受其進(jìn)口速度的影響?；钊\(yùn)動(dòng)振幅與氣流脈動(dòng)振幅呈線性關(guān)系，隨著活塞振幅的增加脈動(dòng)傳導(dǎo)效率逐漸下降，脈動(dòng)傳導(dǎo)效率均在80%以上，效率最高可達(dá)99.20%。氣流脈動(dòng)與活塞運(yùn)動(dòng)同頻率變化。

脈動(dòng)氣流；活塞運(yùn)動(dòng)；振幅；頻率；數(shù)值模擬

在反滲透海水淡化過程中，高壓柱塞泵是主要的電力設(shè)備。由活塞的離散環(huán)形分布和周期性運(yùn)動(dòng)引起的流量脈動(dòng)是柱塞泵的固有特性，流量脈動(dòng)與下游負(fù)荷分量相互作用后會(huì)引起壓力脈動(dòng)[1]。因此，經(jīng)高壓柱塞泵加壓后的海水具有壓力脈動(dòng)的特點(diǎn)，壓力脈動(dòng)嚴(yán)重影響反滲透膜組件的性能及整個(gè)海水淡化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前，對(duì)于管路脈動(dòng)的研究主要集中在脈動(dòng)的衰減方面，如賀尚紅等[2]設(shè)計(jì)薄板振動(dòng)式廣譜流體脈動(dòng)衰減器結(jié)構(gòu)，該衰減器在較寬的頻帶內(nèi)濾波效果顯著；曹顏玉等[3]通過在閥腔處安裝亥姆赫茲共鳴器來降低氣流的脈動(dòng)，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明其脈動(dòng)衰減的有效性。然而，在脈動(dòng)能傳遞及轉(zhuǎn)換方面的研究鮮見報(bào)道。

反滲透海水淡化產(chǎn)生的大量濃鹽水可廣泛用于制取工業(yè)鹽，如Nayar等[4]提出一種將反滲透（RO）、電滲析（ED）和結(jié)晶器集成為一個(gè)系統(tǒng)（REC）的海水淡化及制鹽一體化方案，能顯著降低生產(chǎn)成本；Lu等[5]開發(fā)一種由冷凍海水淡化（FD）及膜蒸餾耦合結(jié)晶（MD-C）相結(jié)合的海水淡化及制鹽系統(tǒng)。此外，有研究表明脈動(dòng)氣流具有強(qiáng)化傳熱的效果[6]；陳軍偉等[7]研究脈動(dòng)氣流作用下翅片散熱器的散熱效果，顯示脈動(dòng)流能強(qiáng)化翅片散熱器的換熱；瞿明等[8]結(jié)合脈動(dòng)燃燒器尾管的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行湍流脈動(dòng)流動(dòng)與傳熱的數(shù)值模擬；吳峰等[9]研究脈動(dòng)氣流對(duì)帶突起內(nèi)翅片管傳熱影響，表明脈動(dòng)氣流強(qiáng)化縱向內(nèi)翅管片的傳熱能力。若將脈動(dòng)氣流運(yùn)用到噴霧蒸發(fā)制鹽中也可有效提高蒸發(fā)效率[10]。但制造脈動(dòng)氣流需要額外的動(dòng)力能源，也會(huì)帶來巨大的成本問題。因此，為消除海水淡化過程中管道內(nèi)的壓力脈動(dòng)，保護(hù)反滲透膜系統(tǒng)，同時(shí)解決濃鹽水排放問題并降低能耗及生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)多效節(jié)能的效果，筆者團(tuán)隊(duì)提出利用脈動(dòng)能交換器耦合海水淡化系統(tǒng)和噴霧蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)，將高壓柱塞泵引起的不利脈動(dòng)傳遞至噴霧蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)，以制造制鹽所需有利脈動(dòng)氣流的方法[11-12]。

脈動(dòng)能交換器可將海水壓力脈動(dòng)能轉(zhuǎn)換為活塞機(jī)械能再轉(zhuǎn)換為空氣脈動(dòng)能。為研究活塞機(jī)械能轉(zhuǎn)換為空氣脈動(dòng)能這一過程，探究脈動(dòng)的轉(zhuǎn)換規(guī)律及效率，筆者團(tuán)隊(duì)通過建立脈動(dòng)能交換器內(nèi)部活塞式氣流管路的三維物理與數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究不同工況下的活塞運(yùn)動(dòng)對(duì)勻速氣流的擾動(dòng)特性，分析不同進(jìn)口氣流速度、活塞運(yùn)動(dòng)相對(duì)振幅及頻率對(duì)勻速氣流的影響，以期為脈動(dòng)能的利用與發(fā)展提供支持。

1 脈動(dòng)能傳導(dǎo)機(jī)制

在脈動(dòng)能交換器中，經(jīng)柱塞泵增壓后具有壓力脈動(dòng)特性的高壓海水在壓力上升時(shí)經(jīng)高壓管路推動(dòng)活塞上行并壓縮彈簧，在壓力下降時(shí)彈簧恢復(fù)原狀推動(dòng)活塞下行，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)齒輪齒條等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，經(jīng)變速箱調(diào)速后驅(qū)動(dòng)氣流管路中的活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)以制造脈動(dòng)氣流，從而實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)能的傳遞。根據(jù)上述脈動(dòng)能傳導(dǎo)機(jī)制，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)脈動(dòng)能交換器樣機(jī)，該樣機(jī)主要由高壓主管路、高壓分管路、活塞缸、活塞、彈簧、齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)軸、變速箱、活塞式氣流管路等組成（圖1）。

圖1 脈動(dòng)能交換器結(jié)構(gòu)

2 物理與數(shù)學(xué)模型

2.1 物理模型

脈動(dòng)能交換器內(nèi)部活塞式氣流管路物理模型見圖2，氣流主管路長(zhǎng)= 0.250 m，直徑= 0.035 m，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得管內(nèi)勻速氣流產(chǎn)生脈動(dòng)。將模型簡(jiǎn)化后抽出相應(yīng)流體計(jì)算域，在氣流主管路上、下游中間截面（1=2）設(shè)置監(jiān)測(cè)面1和監(jiān)測(cè)面2，記錄氣流速度值。

2.2 控制方程

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

其中，為流體密度，單位kg·m-3；為時(shí)間，單位s；為脈動(dòng)周期，單位s；與為速度矢量，單位m·s-1；為流體壓力，單位Pa；為流體動(dòng)力黏性系數(shù)，單位Pa·s；為重力加速度，單位m·s-2。

圖2 脈動(dòng)能交換器內(nèi)部活塞式氣流管路物理模型

2.3 邊界條件與初始條件

活塞面設(shè)置為moving wall，其運(yùn)動(dòng)通過編寫UDF程序?qū)崿F(xiàn)，其值為

其中，1為活塞運(yùn)動(dòng)振幅，單位m/s；0為活塞運(yùn)動(dòng)頻率，Hz；為時(shí)間，單位s。

入口為速度邊界條件，壁面邊界條件設(shè)置為無滑移壁面邊界。

出口為壓力出口邊界條件，其值為

out= 101 325 Pa。 (4)

2.4 參數(shù)定義

為使結(jié)果無量綱化，引入氣流脈動(dòng)相對(duì)振幅air與活塞運(yùn)動(dòng)相對(duì)振幅pis兩個(gè)量綱1的參數(shù)，其值分別為

air=2/in， (5)

pis=1/in， (6)

其中，in為氣流的進(jìn)口速度，單位m/s；1為活塞運(yùn)動(dòng)振幅，單位m/s；2為氣流脈動(dòng)振幅，即相對(duì)于監(jiān)測(cè)面1的平均速度，氣流脈動(dòng)可達(dá)到的最大值，其值為

2= (max－min)/2， (7)

其中，max與min分別為氣流最大與最小速度，單位m/s。

振幅是表示脈動(dòng)強(qiáng)度和范圍的物理量。運(yùn)用氣流速度脈動(dòng)振幅與活塞運(yùn)動(dòng)振幅的比值來表示活塞機(jī)械能轉(zhuǎn)換成空氣脈動(dòng)能的脈動(dòng)傳導(dǎo)效率，其值為

頻率換算為量綱1的數(shù)Womersley數(shù)：

其中，為運(yùn)動(dòng)黏度，單位m2/s。

量綱為1的時(shí)間：

其中，為時(shí)間，單位s；為脈動(dòng)周期，單位s。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬算法

在圓管流動(dòng)中，雷諾數(shù)大于4 000即為湍流，需用湍流模型求解。雷諾數(shù)與物體的幾何限度、流體密度、流速、黏度有關(guān)。以本研究最小流速3 m/s計(jì)算雷諾數(shù)，其值約為5 207。因此，本研究管內(nèi)氣流脈動(dòng)屬湍流問題范疇，選用壓力基求解器求解此三維非定常湍流流動(dòng)問題，選擇RNG-湍流模型，近壁處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壓力-速度耦合使用PISO算法，梯度插值算法選擇基于單元體的最小二乘法，動(dòng)量離散化采用二階迎風(fēng)格式，非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)使用一階隱式離散。選擇彈性平滑及局部重劃耦合方法，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)運(yùn)用DEFINE_CG_MOTION宏函數(shù)編寫UDF定義活塞的運(yùn)動(dòng)。

沈正帆[13]借鑒孔板消除氣體脈動(dòng)原理，設(shè)計(jì)帶有縫隙的柵板式脈動(dòng)衰減器，并通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究其脈動(dòng)衰減效果，采用RNG模型，其入口邊界條件為正弦脈動(dòng)的速度入口，在流場(chǎng)的上下游設(shè)置4個(gè)采樣點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證管路內(nèi)的脈動(dòng)衰減效果。運(yùn)用本研究所使用的數(shù)值模擬方法模擬文獻(xiàn)[13]中的實(shí)驗(yàn)，兩者數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比見表1，管路內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化與文獻(xiàn)[13]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，且其平均壓力、最大壓力、最小壓力與文獻(xiàn)[13]實(shí)驗(yàn)值的差距都在1%以內(nèi)，從而驗(yàn)證了本研究所用數(shù)值模擬方法的可靠性。

表1 本研究方法與文獻(xiàn)[13]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.2 網(wǎng)格獨(dú)立性考核

網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，運(yùn)用控制變量法，在進(jìn)口速度為3 m/s的工況下，對(duì)七組網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性考核，結(jié)果見圖3。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于5 020 358時(shí)，監(jiān)測(cè)面上的平均速度差距在0.006%以內(nèi)，變化趨于穩(wěn)定。因此，為了在高效利用計(jì)算機(jī)資源的同時(shí)能獲得穩(wěn)定的數(shù)值模擬結(jié)果，本研究選擇數(shù)量為5 020 358的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)格數(shù)量較大，所需計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，因此使用南京巨米科技有限公司提供的高性能服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性考核

4 結(jié)果與分析

4.1 進(jìn)口速度對(duì)氣流的影響

以進(jìn)口速度in= 3 m/s為例，有無活塞工況下的上下游監(jiān)測(cè)面氣流平均速度值見圖4。由圖4可知，當(dāng)無活塞作用時(shí)，管路上下游的氣流速度基本相同。當(dāng)有活塞作用時(shí)，在活塞運(yùn)動(dòng)使氣流脈動(dòng)的過程中氣流管路上游監(jiān)測(cè)面的平均速度與無活塞時(shí)管路上下游監(jiān)測(cè)面的平均速度基本一致，且與進(jìn)口速度相同。因此，在活塞機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣流脈動(dòng)能的過程中，選擇管路上游監(jiān)測(cè)面1的氣流速度作為參照，將下游監(jiān)測(cè)面2的氣流速度與之對(duì)比，以研究活塞運(yùn)動(dòng)對(duì)管路內(nèi)勻速氣流的擾動(dòng)影響。

活塞運(yùn)動(dòng)相對(duì)振幅pis= 1/6，脈動(dòng)周期= 0.025 s時(shí)不同進(jìn)口速度下的管路上下游速度隨時(shí)間變化曲線見圖5。由圖5可知，活塞運(yùn)動(dòng)使勻速氣流產(chǎn)生脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)活塞機(jī)械能向空氣脈動(dòng)能的傳遞。隨著進(jìn)口速度的增加，管路內(nèi)的氣流速度也隨之增加，但氣流脈動(dòng)的振幅，即相對(duì)于監(jiān)測(cè)面1的平均速度，氣流脈動(dòng)可達(dá)到的最大值沒有明顯變化。隨著進(jìn)口速度的增加，氣流流速脈動(dòng)變化逐漸穩(wěn)定。這是由于流速越小，管路內(nèi)氣流受活塞作用的時(shí)間越長(zhǎng)，速度變化越不流暢。當(dāng)進(jìn)口速度in> 12 m/s時(shí)，管路氣流脈動(dòng)呈正弦脈動(dòng)，與活塞運(yùn)動(dòng)一致。

圖5 不同進(jìn)口速度下管路上下游的平均速度

4.2 活塞運(yùn)動(dòng)振幅對(duì)氣流的影響

進(jìn)口速度in= 12 m/s、活塞運(yùn)動(dòng)周期= 0.025 s時(shí)不同活塞運(yùn)動(dòng)相對(duì)振幅下監(jiān)測(cè)面2的速度隨時(shí)間變化關(guān)系見圖6。在同一周期內(nèi)，無活塞作用時(shí)管路內(nèi)氣流始終勻速流動(dòng)，其速度大小與進(jìn)口速度相等；而有活塞作用時(shí)，管路內(nèi)氣流速度發(fā)生變化，呈現(xiàn)先增大再減小再增大的正弦脈動(dòng)，與活塞運(yùn)動(dòng)變化一致。在一個(gè)周期內(nèi)，勻速氣流的總動(dòng)能為

脈動(dòng)氣流總動(dòng)能為

式（11-12）中，為脈動(dòng)周期，單位s；為流體質(zhì)量，單位kg；in為勻速氣流速度，單位m/s；2為氣流脈動(dòng)振幅，單位m/s；為氣流脈動(dòng)頻率，單位Hz?；钊\(yùn)動(dòng)使得一個(gè)周期內(nèi)脈動(dòng)氣流的總動(dòng)能增加。隨著活塞運(yùn)動(dòng)振幅的增加，管路內(nèi)氣流速度的變化幅度也隨之增大?；钊穹髸r(shí)，活塞上行時(shí)的氣流脈動(dòng)幅度相比活塞下行時(shí)的氣流脈動(dòng)幅度更大。根據(jù)流量公式：

其中，為單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道的體積流量，單位m3/s；為流速，單位m/s；為管道橫截面積，單位m2。一定時(shí)，與呈反比。由于活塞運(yùn)動(dòng)為正弦脈動(dòng)，上行時(shí)橫截面積減小，下行時(shí)橫截面積增大。上下行的速度始終對(duì)稱，因此管道內(nèi)的橫截面積變化在數(shù)值上對(duì)稱相等。假設(shè)橫截面積的變化率為，當(dāng)活塞上行時(shí)，橫截面積為（1-），速度為/（1-）；當(dāng)活塞下行時(shí)，橫截面積為（1+），速度為/（1+），因此，氣流脈動(dòng)幅度在活塞上行時(shí)更大。在活塞振幅較小時(shí)，管道橫截面積的變化率較小，因此，活塞上下行時(shí)的氣流脈動(dòng)幅度較為接近。

圖6 不同活塞運(yùn)動(dòng)振幅下監(jiān)測(cè)面2的速度隨時(shí)間變化關(guān)系

Fig. 6 Velocity versus time at monitoring surface 2 at different piston motion amplitudes

圖7為活塞運(yùn)動(dòng)相對(duì)振幅pis= 1/12、1/2時(shí)管路壓力云圖，可見，在同一時(shí)刻下，活塞運(yùn)動(dòng)相對(duì)振幅越大，其運(yùn)動(dòng)行程越大，對(duì)管路內(nèi)氣流的擾動(dòng)效果越強(qiáng)。根據(jù)仿真結(jié)果，可獲得不同相對(duì)振幅下的管路氣流速度統(tǒng)計(jì)信息（表2）。隨著活塞運(yùn)動(dòng)相對(duì)振幅的增大，管路氣流最大速度逐漸增大，在pis= 1/2時(shí)達(dá)到最大值，相較于無活塞工況，氣流最大速度最高增加了49.73%。管路氣流最小速度則隨著活塞運(yùn)動(dòng)相對(duì)振幅的增大而下降，在pis= 1/2時(shí)降至最小值，對(duì)比無活塞工況，氣流最小速度最高減小了33.33%。而氣流平均速度一直穩(wěn)定保持在12 m/s左右，與無活塞工況下的平均速度差距在6.18%以內(nèi)。最大速度的增大及最小速度的減小均使氣流脈動(dòng)振幅增大。氣流脈動(dòng)相對(duì)振幅與活塞運(yùn)動(dòng)相對(duì)振幅的關(guān)系見圖8，活塞運(yùn)動(dòng)相對(duì)振幅越大，氣流脈動(dòng)相對(duì)振幅也越大，二者呈線性關(guān)系。脈動(dòng)傳導(dǎo)效率隨活塞運(yùn)動(dòng)相對(duì)振幅的變化曲線見圖9，可知，脈動(dòng)傳導(dǎo)效率均在80%以上，在pis= 1/24時(shí)脈動(dòng)傳導(dǎo)效率最高（99.20%）。傳導(dǎo)效率隨著活塞振幅的增加而下降，在pis> 5/12時(shí)，降幅最大。

圖7 活塞運(yùn)動(dòng)振幅Apis = 1/12、1/2時(shí)管路壓力云圖

表2 不同振幅下的管路氣流速度統(tǒng)計(jì)信息

圖8 Aair隨Apis的變化關(guān)系

圖9 h隨Apis的變化關(guān)系

4.3 活塞運(yùn)動(dòng)頻率對(duì)氣流的影響

圖10所示為進(jìn)口速度in= 12 m/s、活塞運(yùn)動(dòng)相對(duì)振幅pis= 1/4時(shí)不同活塞運(yùn)動(dòng)頻率下監(jiān)測(cè)面2的速度隨時(shí)間變化關(guān)系，圖11、12分別為活塞運(yùn)動(dòng)頻率pis= 124.88、203.92時(shí)的管路壓力云圖。由圖10可見，在無活塞作用時(shí)管路內(nèi)氣流始終勻速流動(dòng)，其速度大小與進(jìn)口速度相等；而有活塞作用時(shí)，管路內(nèi)氣流速度變化與活塞運(yùn)動(dòng)變化一致。隨著活塞運(yùn)動(dòng)頻率的增加，管路內(nèi)氣流速度的變化周期越短。而活塞運(yùn)動(dòng)頻率的增加對(duì)管路氣流的最大速度、最小速度及平均速度等參數(shù)沒有明顯影響，氣流脈動(dòng)振幅均穩(wěn)定保持在2.7 m/s左右。圖13為管路氣流脈動(dòng)頻率air與活塞運(yùn)動(dòng)頻率pis的關(guān)系，可見，改變活塞運(yùn)動(dòng)頻率并不改變氣流脈動(dòng)振幅，僅改變氣流脈動(dòng)頻率；氣流脈動(dòng)頻率與活塞運(yùn)動(dòng)頻率呈線性關(guān)系，二者比值為1。氣流脈動(dòng)與活塞運(yùn)動(dòng)同頻變化。

圖10 不同活塞運(yùn)動(dòng)頻率下監(jiān)測(cè)面2的速度隨時(shí)間變化關(guān)系

圖11 活塞運(yùn)動(dòng)頻率Wpis = 124.88時(shí)的管路壓力云圖

圖12 活塞運(yùn)動(dòng)頻率Wpis = 203.92時(shí)的管路壓力云圖

圖13 氣流脈動(dòng)頻率隨活塞運(yùn)動(dòng)頻率的變化關(guān)系

5 結(jié)論

本研究建立活塞對(duì)管內(nèi)氣流作用的物理及數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析不同進(jìn)口速度、活塞運(yùn)動(dòng)振幅及頻率對(duì)脈動(dòng)能交換器內(nèi)部氣流管路中勻速氣流的擾動(dòng)機(jī)理，探討機(jī)械能轉(zhuǎn)化成脈動(dòng)能的轉(zhuǎn)化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1）活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)能有效使管路內(nèi)勻速氣流產(chǎn)生脈動(dòng)，管路內(nèi)氣流脈動(dòng)振幅及頻率不受其進(jìn)口速度的影響，進(jìn)一步驗(yàn)證脈動(dòng)能交換器的有效性。

2）活塞運(yùn)動(dòng)振幅越大，氣流脈動(dòng)振幅也越大，二者呈線性關(guān)系。脈動(dòng)傳導(dǎo)效率均在80%以上，在pis= 1/24時(shí)最高，為99.20%。傳導(dǎo)效率隨著活塞振幅的增加而下降，在pis> 5/12時(shí)，降幅最大。

3）改變活塞運(yùn)動(dòng)頻率并不改變氣流脈動(dòng)振幅，僅改變氣流脈動(dòng)頻率。氣流脈動(dòng)頻率與活塞運(yùn)動(dòng)頻率呈線性關(guān)系，隨著活塞運(yùn)動(dòng)頻率的增加，管路內(nèi)氣流速度的變化周期越短。氣流脈動(dòng)與活塞運(yùn)動(dòng)同頻變化。

[1] ZHANG Z T, CAO S P, WANG H W, et al. The approach on reducing the pressure pulsation and vibration of seawater piston pump through integrating a group of accumulators[J]. Ocean Engineering, 2019, 173: 319-330.

[2] 賀尚紅, 賀華波, 何志勇, 等. 薄板振動(dòng)式廣譜流體脈動(dòng)衰減器實(shí)驗(yàn)研究[J]. 液壓與氣動(dòng), 2013(6): 24-27.

[3] 曹顏玉, 姜來舉, 王文凱, 等. 亥姆赫茲共鳴器衰減壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 壓縮機(jī)技術(shù), 2017(2): 9-13.

[4] NAYAR K G, FERNANDES J, MCGOVERN R K, et al. Cost and energy needs of RO-ED-crystallizer systems for zero brine discharge seawater desalination[J]. Desalination, 2019, 457: 115-132.

[5] LU K J, CHENG Z L, CHANG J, et al. Design of zero liquid discharge desalination (ZLDD) systems consisting of freeze desalination, membrane distillation, and crystallization powered by green energies[J]. Desalination, 2019, 458: 66-75.

[6] 鐘音, 凌長(zhǎng)明, 謝公南. 脈動(dòng)氣流對(duì)豎直平板降膜蒸發(fā)影響的數(shù)值模擬研究[J]. 應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué), 2020, 41(5): 491-498.

[7] 陳軍偉, 閔春華, 張媛, 等. 脈動(dòng)流強(qiáng)化翅片散熱器數(shù)值模擬研究[J]. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 48(5): 33-38.

[8] 翟明, 董芃, 王希影, 等. 圓管湍流脈動(dòng)流動(dòng)與換熱的數(shù)值模擬[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(20): 85-91.

[9] 吳峰, 王秋旺. 脈動(dòng)流條件下帶突起內(nèi)翅片管強(qiáng)化傳熱數(shù)值研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007, 27(35): 108-112.

[10] LING C M, ZHONG Y, PENG L M. Three-dimensional numerical research on the effects of lateral pulsating airflow on droplet breakup[J]. Physics of Fluids, 2021, 33(3): 033303.

[11] 凌長(zhǎng)明, 雷順安, 梁炳盛, 等. 一種活塞擺動(dòng)耦合式可變頻脈動(dòng)能交換器: CN105148733A[P]. 2015-12-16.

[12] 凌長(zhǎng)明, 雷順安, 王孔秋, 等. 一種雙活塞式可變頻脈動(dòng)能交換器: CN105126622A[P]. 2015-12-09.

[13] 沈正帆. 柵板壓力脈動(dòng)衰減器的設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬[J]. 船舶工程, 2016, 38(9): 67-70.

Effect of Piston Structure on Disturbance Characteristics of Uniform Velocity Airflow

LING Chang-ming1, PENG Li-ming2, XU Qing1, WU Zhen-hai1

（1.,,524088,; 2.,,523012,）

【Objective】The study is to investigate the disturbance mechanism of piston movement on air flow, and to explore the conversion law and efficiency of mechanical energy into pulsating energy.【Method】The process of creating pulsating airflow by piston motion was studied by numerical simulation, and the physical and mathematical models of the piston action on airflow in the tube were established. The disturbance law of uniform airflow by different inlet speed, piston motion amplitude and frequency was analyzed.【Result and Conclusion】The piston reciprocating motion can effectively pulsate the uniform airflow in the pipeline. The amplitude and frequency of airflow pulsation in the pipeline are not affected by its inlet speed. The piston motion amplitude and airflow pulsation amplitude are linearly related. The pulsation conduction efficiency is above 80%, gradually decreasing with the increase of piston amplitude, with the maximum efficiency up to 99.20%. The airflow pulsation changes with the same frequency as the piston motion.

pulsating airflow; piston motion; amplitude; frequency; numerical simulation

TK79

A

1673-9159（2022）01-0120-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2022.01.016

凌長(zhǎng)明，彭麗明，徐青，等. 基于活塞作用下的管內(nèi)氣流脈動(dòng)特性[J]. 廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，42（1）：120-126.

2021-05-19

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2017A010104011）；湛江市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018A02013）

凌長(zhǎng)明（1960―），男，博士，教授，主要從事強(qiáng)化傳熱和海洋能海水淡化等方面的研究。E-mail: ling-cm@163.com