高频微射流试验台的设计*

罗 静，李 健，申 跃，詹 捷

（重庆理工大学a.机械工程学院；b.工程训练中心；c.汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054）

高频微射流试验台的设计*

罗 静a，李 健a，申 跃b，詹 捷c

（重庆理工大学a.机械工程学院；b.工程训练中心；c.汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054）

为了对高频微射流控制的圆射流流场的特性进行研究，设计了一套高频脉冲微射流控制圆射流的试验台。包括气体处理系统设计和脉冲发生器系统设计，通过气体处理系统可以使气体的流动状态符合试验要求；脉冲发生器采用结构紧凑的电主轴转阀结构，通过转阀的高速旋转形成高频微射流。利用对伺服电机转速的控制来实现微射流不同的激励频率，微射流激励频率主射流大涡频率比FV/F0值在0～5范围内变化，利用该试验台可以精确的实现微射流在不同流量和激励频率条件下对圆形射流流场的控制。

射流试验台；微射流；高频脉冲；电主轴结构

0 引言

气体燃料发动机等动力机的发展，对燃气的喷射状态、燃气与空气混合程度提出了更高要求。控制射流的混合过程，是减少噪声、高效燃烧、增加飞机火箭等推力等应用的基础，通过径向微射流来增强主射流与周围流体混合的方法最早由Davis［1］提出。通过使用周期变化的微射流实现对圆形射流流场控制研究，设计一套基于高频微射流控制的圆射流流场的试验台，实现对高频微射流控制圆射流流场进行相关的实验。

1 试验台原理图

图1 高频脉冲微射流试验台原理图

图1所示为该试验台的原理图，高压气体由气源系统提供，经开关阀进入气体调制系统，气体调制系统分为主射流调制系统和微射流调制系统，分别对主射流和微射流进行调制、调压处理。其中主射流气体经过缓冲室进入射流管中进行整流，在经过射流管左端的收缩段加速进入脉冲发生段。与此同时，微射流气体经过管道进入微射流恒压室中，再分6路通过转阀上的微孔垂直射入主射流中，与主射流形成混合射流经喷嘴喷入大气中形成外部流场。

2 试验台的总体结构设计

本试验台结构设计的重点在以下几个方面；

（1）因为气源由空气压缩机提供，气体流动具有脉动性，并且含有杂质较多。因此设计一套气体质量处理系统，使试验气体在试验段的流动特性符合试验要求。

（2）本试验台要实现微射流以一定的频率射入主射流气体中，因此需要对高频脉冲发生器的结构进行设计，使其结构简单，微射流激励频率调节方便准确。

试验台的总体结构设计如图2所示。

图2 高频脉冲射流试验台总体结构

2.1 试验台气体处理系统设计

气源输送的高压空气流动不稳定，而且空气重含有固体颗粒、水分、油分等各类杂质。设计了试验台的气体处理系统，对气体进行流动状态机质量进行处理改善。如图2，气体处理系统包括；7收缩段、8、整流管、9铜网、10扩散段、11扩散网、12缓冲室、13气体调制处理系统组成。气体首先通过13气体调质处理系统进行除水、过滤等，在进入12稳压室中进一步消除气体的脉动特性，稳定后的气体经过10扩散段的扩散进入到8整流管内，通过整流管的整流效果，气体流动均匀稳定，均匀流动的气体通过7收缩段的收缩加速，在射流管喷嘴处形成符合实验要求的主射流。

主射流气体经7收缩段加速经喷嘴喷出的气流的流动状态对实验的影响很大。由文献［2］可知，自由射流中，气体由喷管出口射入静止环境中的流体与周围流体之间存在着速度间断面，此间断面是不稳定地，一旦受到扰动将失稳而产生漩涡，加速射流与周围流体的掺混。Mi等人［3］研究了平滑收缩曲线喷嘴和长直管喷出的射流的外部流场的流动特性，得到湍流射流流场的流动发展过程取决于射流的初始状态，即与喷嘴出口处射流的初始边界层的厚度、湍流度有密切的关系。平滑收缩曲线喷嘴的射流，出口湍流度小，具有很薄的边界层，因此流动及不稳定，在流场中观察到了明显的大涡结构。而长直管喷嘴的射流具有很厚的边界层，流场中没有发现涡结构。

本试验台的实验原理就是通过高频微射流利用射流大涡的拟序结构的特性实现对射流流动状态的控制，要求主射流要具有很好的初始流动状态。因此选择收缩段曲线的收缩方程［3］；

其中；X为收缩段距离起点的距离，R为在X处收缩段的半径，L为收缩段的长度本试验台，收缩段长度取L=170mm。

2.2 脉冲发生器的设计

2.2.1 脉冲发生器结构设计

脉冲发生器是试验台重要结构，是本试验台的设计需要解决的关键技术。

在试验平台上进行的射流控制实验研究，主射流从射流器的圆形喷嘴（直径为20mm）射出，射流出口速度范围为3～6m/s，相应的雷诺数范围为4000～8000。因为射流的无维大涡频率（Strouhal number，简称St数）为0.3～0.4，由公式（F0为射流大涡频率，V为主射流速度，D为射流喷嘴直径。）可得到本试验中射流的大涡频率F0应在45～120Hz范围内。而微射流的激励频率FV最大值为5 F0。因此微射流激励频率从取值范围为0Hz～600Hz。

此试验台由于射流器喷嘴的长度较短，空间受限，不能采用常规的机械结构和传动方式，而且微射流的脉冲频率范围为0Hz～600Hz，脉冲频率多分布在高频范围，因此，传统的电磁脉动开关从频率范围、响应速度、空间尺寸和同步性上均不能满足要求。为解决这一关键问题，本设计采用电主轴转阀结构，如图3所示。电机采用美国丹那赫公司的RBE直流伺服电机，电机转速范围为N=0～6000r/min，将转阀9直接安装在电机转子6上，转阀9径向均匀开有直径D=1mm的6个小孔，孔之间相隔60°，转阀结构如图4所示。微射流分配器5上开有6个均匀分布的直径3mm的孔道。微射流恒压室的高压气体通过管道进入微射流分配器5的孔道中。转阀9与微射流分配器5构成了脉冲发生器。当转阀上的6个均匀分布的孔与电机后盖上的6个均匀分布的孔的中心线重合时，发生一次微射流。

图3 高频微射流试验台脉冲发生器结构

图4 转阀结构图

本试验台微射流频率控制系统采用的RBE直流伺服电机，其动态响应时间为0.1ms，由于采用电主轴传动方式，转阀9直接安装在伺服电机转子6上，消除了机械传动系统的影响，同时转阀采用铝合金材料，结构尺寸小，惯性矩小，因此可以认为转阀的响应时间约等于伺服电机的响应时间，完全满足控制系统的响应时间的要求。

2.2.2 脉冲发生器激励频率的实现

微射流的激励频率由脉冲发生器来控制。电机带动转阀旋转，当转阀上的均匀分布的6个孔与微射流分配器的6个孔道的中心线重合的时候，高压气体经过由孔道经过转阀上面的小孔射入主射流中，形成微射流。通过控制电机的转速进而可以控制微射流的激励频率。转阀跟微射流分配器上面的孔道均是均匀分布的6个孔。因此微射流激励频率FV的计算公式；

其中；N为电机转速。而RBE直流伺服电机转速取值范围为N=0～6000r/min，伺服电机处于最大转速，微射流脉冲激励频率取得最大值，则

微射流激励频率取值范围为0Hz～600Hz，微射流与主射流频率比FV/F0在0～5的范围内变化，满足试验台的相关要求。

2.2.3 脉冲射流试验台高频控制方式

图5 高频脉冲射流试验台频率控制原理图

探讨微射流激励频率对主射流的流动特性的影响，微射流激励频率的取值的准确性尤为重要。本试验台通过控制伺服电机的转速，间接控制转阀的转速来实现不同的微射流激励频率，要实现精确的微射流激励频率，就需要对伺服电机的转速进行精确的控制。图5为本试验台频率控制原理图。

伺服电机的转速通过光栅信号采集器进行检测，并通过控制器对伺服电机的转速进行精确的控制，进而精确的控制不同的微射流激励频率。

3 结束语

设计高频脉冲微射流试验台，包括气体处理系统和高频脉冲微射流发生器系统，气体处理系统通过结构设计，可以实现对气体的调质、调压处理，满足实验对气体质量及流动状态的要求。高频脉冲微射流发生器，采用结构紧凑的电主轴转阀结构，通过精确的调节伺服电机的转速，方便准确的控制微射流的激励频率。

［1］Davis M R.Variable Control of JetDecay［J］.AIAA Journal. 1982，20（5）；606-609.

［2］刘沛清.自由紊动射流理论.［M］.北京；北京航空航天大学出版社，2008.

［3］Mi，J.Nobes，D.，and Nathan，G.J.Influence of Jet Exit Conditions on the Passive Scalar Field of an Axisymmetric Free Jet［J］.Journal of Fluid Mechanics，2006，548；17-48.

［3］叶骞，李军，王祖温.液压支架电液阀性能试验台液压系统设计［J］.机床与液压，2014，42（2）；54-56.

［4］叶骞，李军，王祖温.典型气动系统优化分析［J］.哈尔滨工业大学学报，2001，33（5）；706-708.

［5］张华，张伏龙，张昌俊.液压气动元件综合实验台的设计及实现［J］.自动化与仪器仪表，2013（4）；175-179.

［6］崔正平.超高压管线试压装置的液压与气压系统设计［J］.机床与液压，2001（6）；142-143.

［7］曹玉平，阎祥安.气压传动与控制.［M］.天津；天津大学出版社，2010.

［8］成大先.机械设计手册［M］.北京；化学工业出版社，2010.

［9］齐学义.流体机械设计理论与方法［M］.北京；中国水利水电出版社，2008.

［10］王正伟.流体机械基础［M］.北京；清华大学出版社，2006.

［11］杨署东，何存兴.液压传动与气压传动［M］.武汉；华中科技大学出版社，2008.

（编辑 李秀敏）（编辑 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

国家自然科学基金资助项目（51275550）

罗静（1974—），女，重庆人，重庆理工大学教授，研究方向为集成制造技术及装备，（E-mail）luojing@cqut.edu.cn；通讯作者；李健（1987—），男，山东莱阳人，重庆理工大学硕士研究生，研究方向为集成制造技术及装备，（E-mail）627990916@qq.com。