自激脉冲射流装置结构参数的无量纲研究

刘新阳，苏泊源，高传昌，刘彩萍

(华北水利水电学院，河南郑州450011)

自激脉冲射流装置是不需任何外加装置，利用流体自身在合适的流体结构中产生振荡，使流体在射流装置体内将射流的初始振荡通过反馈、放大，把持续作用能量转化为间断作用能量的装置.自激脉冲射流装置凭借其结构简单、无附加外驱动结构、空化作用强、冲击效果优于连续射流等特点，在切割、清洗等诸多领域得到广泛应用，被认为是一种很有发展前景的射流装置［1］.

影响自激脉冲射流装置打击效果的因素主要包括结构参数和运行参数.结构参数的合理选择对自激脉冲射流装置的射流效果有显著影响.国内外学者对自激振荡脉冲射流装置结构参数优化方面进行了大量研究［1－4］，但没有详细研究入口条件一定时，无量纲打击力随各结构参数配比的客观变化规律.笔者运用无量纲分析法，对一定入口条件下各结构参数配比对无量纲打击力的影响进行了研究，得出了无量纲打击力随自激脉冲射流装置各无量纲结构参数的变化规律，确定了产生高效能脉冲射流打击力的无量纲结构参数的范围，为脉冲射流装置的结构设计优化提供理论依据.

1 实验装置和实验内容

1.1 实验装置

实验所采用的自激脉冲射流实验系统装置和自激脉冲射流装置分别如图1和图2所示.

由多级离心泵供给压力水，通过闸阀按实验设计要求控制工作水压力，设计工作压力水经脉冲射流装置形成的脉冲射流直接喷射到装有压力变送器的靶盘上，压力变送器将压力信号传输给数据采集系统，通过计算机进行存贮分析.

1.2 实验内容

实验选取的自激脉冲射流装置运行参数为:工作压力P=1.6 MPa，靶距分别为50 mm和200 mm.结构参数为:上喷嘴直径d1为8，10，12，14 mm;下喷嘴直径d2为 14，16，17，18，20，22，24 mm;腔长 Lc为30，40，45，55，60，75，90 mm;腔径 Dc为 85，95，105，120，125 mm;碰撞壁锥度 α 为120°.对上述工作参数进行实验，测得对应的靶盘中心打击力.

2 实验结果与分析

运用无量纲的方法建立各参数的数学表达式，上下喷嘴面积比:

腔径与上喷嘴直径比:

腔长与上喷嘴直径比:

腔长与腔径比:

射流打击力与工作压力之比:

根据上述数学表达式，以Fw作为衡量自激脉冲射流装置性能优劣的目标值，分别以sw，dw，Lw，Ldw为自变量，研究目标值随各无量纲结构参数的变化规律，绘制出各参数函数关系曲线图，分别如图3—6所示.

2.1 上下喷嘴面积比sw

图3为自激脉冲射流装置在上喷嘴直径分别为8，10，12 mm条件下，无量纲压力值Fw随sw的变化曲线.

图3 无量纲压力值Fw随sw变化规律

由图3知，入口条件一定时，随着无量纲值sw的逐渐增大，Fw呈现近似M字型的变化规律，且上喷嘴直径越大，对应的Fw均值越小.原因在于，下喷嘴直径过大时，核心区的高速流体几乎全部从下喷嘴射出，不易在碰撞区内形成循环，腔内压力达不到水的汽化压力，空化效果不好，不易形成脉冲射流［3］.研究表明，无量纲压力值Fw的大小与对应结构下产生的自激脉冲射流效果呈映射关系，脉冲射流效果较好时，对应的无量纲压力值Fw较大;系统装置对无量纲值sw具有选择性，产生较好自激脉冲效果和较大打击力的sw范围是3.35 ～4.25.

2.2 腔径与上喷嘴直径比dw

图4是上喷嘴直径分别为 8，10，12，14 mm，一定入口条件下，仅考虑dw单因素变化时，无量纲压力值Fw随dw的变化情况.

图4 无量纲压力值Fw随dw变化规律

由图4知，一定入口条件下，随着dw的增大，无量纲压力值Fw的变化曲线呈抛物线型，且达到某一临界值后逐渐趋于稳定;不同上喷嘴直径时，抛物线形状有所不同.分析认为，上喷嘴条件不同时，腔径对无量纲压力值Fw的影响效果有一定差别，要获得较好的打击效果，需要将dw值控制在一定范围之内.

2.3 腔长与上喷嘴直径比Lw

图5是上喷嘴直径分别为8，10，12 mm时，一定入口条件下，无量纲压力值Fw随Lw的变化情况.

图5 无量纲压力值Fw随Lw变化规律

整体趋势上看，无量纲压力值Fw随Lw增大而减小.分析认为，随着腔长增长，腔室内反馈的能量不能有效激励分离区新涡量的产生，进而不能有效地与碰撞壁相互作用，形成向上游反射的压力扰动波，不利于对能量的蓄积，其自激脉冲效果和打击效果不好，反映在图中就是Fw逐渐减小;无量纲压力值对Lw具有选择性，一定入口条件下，在Lw=4.2～5.5时，射流打击效果较好;曲线呈波动性变化的原因是Ldw的变化对无量纲压力值Fw也有一定影响.

2.4 腔长与腔径比Ldw

图6是上喷嘴直径分别为8，10，12 mm时，一定入口条件下，无量纲压力值Fw随Ldw的变化情况.

图6 无量纲压力值Fw随Ldw变化规律

由图6可知，在入口条件一定时，无量纲压力值随Ldw值变化的整体趋势是减小的.分析认为，要获得较好的打击效果，Ldw的取值范围应控制在0.37～0.50.超过该范围时，腔径的影响作用相对减小，新涡量脉动产生的空间不充分，能量的反馈和放大过程不易形成;低于该范围时，腔长过短，该范围内扰动不敏感且涡环流动的空间狭小，不利于能量的叠加.

3 结语

1)无量纲压力值Fw随上下喷嘴面积比sw的增大，呈M 型变化规律，sw=3.35～4.25时，自激脉冲射流装置能取得较好的打击效果.

2)一定入口条件下，无量纲压力值Fw随dw的增大，呈抛物线型增长，且在dw取得某一临界值之后，无量纲压力值趋于稳定.

3)一定入口条件下，无量纲压力值Fw随Lw增大而减小.研究得出了Lw的优化范围Lw=4.2 ～5.5.

4)无量纲压力值Fw随Ldw增大而逐渐减小，通过实验研究确定了自激脉冲射流装置无量纲结构参数Ldw的优化范围:Ldw=0.37～0.50.综合只考虑dw时的研究结果得出，Ldw对自激脉冲射流装置的射流打击效果有很大影响，且相比较而言，腔长起主要影响作用.

虽然对一定入口条件下，自激脉冲射流装置的主要结构参数进行了无量纲分析，得出了自激脉冲射流装置打击效果随各无量纲结构参数值的变化规律，确定了各主要结构参数的优化配比范围.但是各个结构参数在脉冲射流产生过程中起到的主次作用不同，不同配比时产生的影响效果有所差异.这里就不同结构参数对自激脉冲射流装置脉冲射流打击效果的影响程度没有研究，无疑是不完善的.因此，自激脉冲射流装置各结构参数对其打击效果影响程度的大小，需要做进一步研究.

［1］王乐勤，王循明，徐如良，等.低压大流量自激振荡脉冲射流喷嘴结构参数优化研究［J］.流体机械，2004，32(3):7－10.

［2］裴江红，唐川林，张凤华，等.非淹没射流条件下自激振荡脉冲射流喷嘴实验研究［J］.矿山机械，2006，34(10):96－98.

［3］王循明.自激式脉冲射流装置性能影响因素数值分析及喷嘴结构优化设计［D］.浙江大学，2005.

［4］廖振方，唐川林，张凤华.自激振荡脉冲射流喷嘴的实验研究［J］.重庆大学学报:自然科学版，2002，25(2):28－32.