回流式自激振蕩射流噴嘴內(nèi)部流動特性分析

于振興,王宗明*,,雷純兵,周耀東,仇性啟

(1.中國石油大學(xué)(華東) 新能源學(xué)院,山東青島 266580;2.三一汽車制造有限公司,長沙 410100;3.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心,江蘇蘇州 215000)

自激脈沖振蕩射流駐點壓力峰值高、沖擊力強,廣泛的應(yīng)用于切割、除銹、清洗、石油鉆井、脈動燃燒等領(lǐng)域[1-6]。風(fēng)琴管噴嘴、赫姆霍茲噴嘴以及空化射流噴嘴是最常見的自激振蕩噴嘴。風(fēng)琴管噴嘴是依靠風(fēng)琴管的共振腔部分形成駐波來產(chǎn)生振蕩,但產(chǎn)生強烈的自激振蕩射流的必要條件為壓力激動的頻率與風(fēng)琴管噴嘴固有頻率相匹配[7]。赫姆霍茲噴嘴是靠剪切層渦量擾動及放大形成擾動波,擾動波的反饋形成新的擾動從而在擾動-放大-新的擾動這一反復(fù)過程中形成強烈的自激振蕩脈沖射流[8]。從自激脈沖射流噴嘴的工作原理可知,要想實現(xiàn)自激振蕩脈沖射流,必須滿足剪切層不穩(wěn)定性放大和有效反饋兩個條件。Erdmanm等[9]研究表明:自由剪切層的不穩(wěn)定性對擾動的放大與初始擾動的幅值、馬赫數(shù)M、剪切層本身的雷諾數(shù)均無關(guān),只對特定頻率的擾動才具有放大作用,且該頻率較高。張德斌等[10]通過實驗發(fā)現(xiàn)在壓降一定時,隨著圍壓的增大,空泡在較小的程度時就破裂,空化作用和渦流環(huán)的發(fā)展都受到了限制,難以實現(xiàn)自激脈沖射流。國內(nèi)外一些學(xué)者對自激振蕩噴嘴進行了研究和改造。裴江紅等[11]研究了一種雙腔室自激振蕩噴嘴,即將兩個自激振蕩腔串聯(lián)起來,結(jié)果表明串聯(lián)型自激振蕩噴嘴的固有頻率為196 Hz,其頻率要小于單腔室自激振蕩噴嘴的頻率,但此頻率與來流頻率相差較大,難以產(chǎn)生諧振。戚美等[12]對雙腔室自激振蕩脈沖噴嘴空化射流外部流場進行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)當腔長與腔徑同時取最佳值時,脈沖性最佳具有較好的清洗效果。Cong等[13]用實驗研究的方法研究了以附壁效應(yīng)為原理的反饋射流振蕩器的振蕩特性,發(fā)現(xiàn)其振蕩特性僅與振蕩頻率f和雷諾數(shù)Re有關(guān),對振蕩器配置不敏感。

由于傳統(tǒng)的自激振蕩噴嘴在高圍壓的條件下難以正常工作,對高圍壓下自激振蕩噴嘴的研究,仍是一個重要的課題。在前人研究的基礎(chǔ)上,基于附壁效應(yīng)[14]和回流反饋作用設(shè)計了一種新型回流式自激振蕩噴嘴,并進行了數(shù)值研究,以期為高圍壓、較低頻率的新型高效自激振蕩噴嘴的開發(fā)提供參考。

1 模型的結(jié)構(gòu)

基本型回流式自激振蕩噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖1所示,振蕩腔寬150 mm,振蕩腔長130 mm,噴嘴的厚度為30 mm。其特點在于在振蕩腔中加入兩個整流塊,整流塊與振蕩腔之間會形成回流通道。

圖1 回流式自激脈沖噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)值計算方法

應(yīng)用FLUENT軟件對噴嘴內(nèi)部流動特性進行了數(shù)值模擬,得到回流式自激脈沖射流特性,并進行快速傅里葉變換(FFT),得出其脈動頻率特性。

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

使用GAMBIT對回流式自激振蕩噴嘴的計算模型進行網(wǎng)格劃分。由于噴嘴振蕩腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,需要對計算域進行分塊。近壁區(qū)域采用邊界層網(wǎng)格,網(wǎng)格層數(shù)為4層。對于形狀較為規(guī)則的上噴嘴、下噴嘴以及回流通道區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,對于振蕩腔中間的不規(guī)則區(qū)域采用cooper方式進行六面體網(wǎng)格劃分。計算模型的網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 計算模型網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件與湍流模型

入口采用壓力入口條件,壓力為15.5 MPa,出口采用壓力出口條件,壓力為14.5 MPa,壁面無滑移,近壁面處采用標準壁面函數(shù)法處理。湍流模型采用RNGk-ε模型,采用SIMPLEC算法進行離散方程組求解。

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為確定計算所需的合適的網(wǎng)格數(shù)量,將模型劃分不同的網(wǎng)格數(shù)量,設(shè)置相同的邊界條件及初始化,計算相同的步數(shù),對比噴嘴出口的頻率。如圖3所示,當網(wǎng)格數(shù)超過40萬時,頻率已趨于一個穩(wěn)定值,繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量,計算結(jié)果的變化不會超過3%,為了得到較為精確的解,最終選取的計算模型網(wǎng)格數(shù)量為513 503。

圖3 頻率隨網(wǎng)格數(shù)量的變化

2.4 計算結(jié)果的正確性驗證

文獻[13]用實驗研究的方法研究了以附壁效應(yīng)為原理的反饋射流振蕩器的振蕩特性。此次驗證使用上述數(shù)值計算方法,在振蕩器深度H=16 mm,噴嘴出口寬度Wj=4 mm,反饋通道寬度Wf=8 mm等同樣條件下,模擬了反饋射流振蕩器,將模擬的結(jié)果與文獻[13]等的試驗結(jié)果進行對比,如圖4所示,試驗結(jié)果與模擬結(jié)果較為接近,誤差在10%以內(nèi)。

圖4 實驗與模擬頻率結(jié)果對比

3 數(shù)值計算方法

3.1 噴嘴內(nèi)部流場特性

為了揭示回流式自激振蕩噴嘴的內(nèi)部流場特性,反映噴嘴自激振蕩的內(nèi)在機理,將對噴嘴內(nèi)部流場進行分析。圖5為不同時刻噴嘴內(nèi)部流場的速度矢量圖,圖6為初生漩渦示意圖,圖7為漩渦的增大、下移示意圖。

圖6 初生漩渦示意圖

圖7 漩渦的增大、下移

從圖5中可知,在噴嘴內(nèi)部,射流的附壁效應(yīng)和流體的回流反饋作用都真實存在。當t=0.104 270 s時,由于射流的附壁效應(yīng)和回流反饋作用,主射流貼附在上振蕩壁,導(dǎo)致上回流通道的回流量遠大于下回流通道的回流量。與此同時,上振蕩壁的上游部位與主射流之間會初生一個渦流,如圖6所示。隨著回流的持續(xù)作用,主射流與整流器上壁面之間的漩渦的增大與下移將推動主射流向?qū)?cè)移動,如圖5c)、圖5d)、圖5e)及圖7所示。當t=0.121 070 s時,主射流已向下偏轉(zhuǎn)貼附在整流器的下壁面。由于下回流通道的回流作用,這一相似過程將重復(fù)進行,使主射流向上偏轉(zhuǎn)回到t=0.104 270 s時的初始位置,而主射流與下振蕩壁之間的漩渦將進入下回流通道然后損耗并消失在回流通道內(nèi)。

主射流進入噴嘴后在上下振蕩壁之間的區(qū)域來回擺動,使噴嘴出口射流速度產(chǎn)生脈動,這便是回流式自激振蕩噴嘴產(chǎn)生脈沖射流的內(nèi)在動力及機理。由于射流的偏轉(zhuǎn)速度較液體中的音速要小的多,回流式自激振蕩噴嘴的脈動頻率較普通的風(fēng)琴管式或赫姆霍茲式自激振蕩噴嘴要低很多。

3.2 噴嘴出口脈沖射流特性

3.2.1 噴嘴出口速度脈動特征

圖8為回流式自激振蕩噴嘴出口處的速度脈沖時域圖。由圖8可知,噴嘴出口處的射流脈沖效果明顯,出口速度在22～39 m/s之間脈動,且脈動的波形較好,噪音低,噴嘴的脈沖性能較好。

圖8 噴嘴出口速度時域圖

圖9為回流式自激振蕩噴嘴出口速度時域圖經(jīng)過FFT變換后得到的頻譜圖,由圖9可知,噴嘴出口速度脈動頻率為67.1 Hz,且較單一,脈沖特性較好。唐川林等[15]曾在10～30 MPa高圍壓條件下用實驗的方法研究過自激振蕩脈沖射流噴嘴的頻率特性,得出的結(jié)果為隨著壓力和振蕩腔長度的參數(shù)變化,脈沖射流頻率在650～1 000 Hz范圍內(nèi)變化。由此可見,回流式自激振蕩噴嘴在高圍壓條件下實現(xiàn)了自激脈沖射流,脈動頻率明顯降低。

圖9 噴嘴出口頻譜圖

3.2.2 不同圍壓下噴嘴出口頻率

為了研究回流式自激振蕩噴嘴在不同圍壓下的脈沖性能,對同一噴嘴結(jié)構(gòu)取相同的出入口壓差不同的出口壓力,模擬不同圍壓條件下噴嘴的脈動頻率性能?；亓魇阶约ふ袷巼娮斓拿}動頻率隨圍壓變化見圖10,不同圍壓下脈沖頻率范圍為61～65 Hz,可見圍壓對噴嘴的脈動頻率影響較小。只要保證噴嘴的出入口壓差一定,噴嘴出口的脈沖范圍和頻率隨著壓力的變化基本保持不變。

圖10 脈動頻率隨圍壓變化圖

3.2.3 出口脈動頻率與振蕩腔長度的關(guān)系

保證邊界條件以及其余參數(shù)不變的前提下,只改變振蕩腔長度,進行數(shù)值模擬計算,得到噴嘴脈沖頻率隨振蕩腔長度的變化規(guī)律見圖11。

圖11 脈動頻率隨振蕩腔長度變化圖

隨著振蕩腔長度的增大,噴嘴出口頻率下降,主要是由于振蕩腔長度越大,回流通道的長度也越大,流體通過回流通道的時間也越長,由回流流體導(dǎo)致的渦流的形成、增大與移動的過程也越慢,主射流在附著壁上停留的時間也越長,渦流推動射流擺動的頻率越小。脈沖頻率與振蕩腔長度近似成一條二次曲線關(guān)系,可以根據(jù)計算結(jié)果求出其一元二次回歸方程為

(1)

式中：f為頻率,Hz;Lc為振蕩腔長度,mm。

在其他參數(shù)不變的情況下,能夠根據(jù)此式預(yù)測噴嘴出口的脈沖頻率。因此,振蕩腔長度對噴嘴出口的脈沖頻率影響較大,能較容易地通過改變振蕩腔尺寸的來調(diào)整回流式自激振蕩噴嘴的頻率。

4 結(jié)論

1) 通過對回流式自激振蕩噴嘴內(nèi)部流場的數(shù)值模擬,可以發(fā)現(xiàn)由于回流通道的存在,主射流在噴嘴振蕩腔內(nèi)來回擺動,造成回流式自激振蕩噴嘴出口參數(shù)的脈沖。

2) 相比于傳統(tǒng)的赫姆霍茲噴嘴,在入口壓力15.5 MPa,出口壓力14.5 MPa時,出口速度脈動范圍22～39 m/s,脈沖頻率67.1 Hz,脈動幅度大,脈動效果好。

3) 回流式自激振蕩噴嘴脈動頻率受圍壓影響不大,可以適用于低圍壓和高圍壓條件;而且通過改變振蕩腔的長度,可以調(diào)整其脈動頻率,回流式自激振蕩噴嘴變型設(shè)計容易,適用范圍更廣。