回流式自激振荡射流喷嘴内部流动特性分析
2022-07-18于振兴王宗明雷纯兵周耀东仇性启
于振兴,王宗明*,,雷纯兵,周耀东,仇性启
(1.中国石油大学(华东) 新能源学院,山东青岛 266580;2.三一汽车制造有限公司,长沙 410100;3.国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心,江苏苏州 215000)
自激脉冲振荡射流驻点压力峰值高、冲击力强,广泛的应用于切割、除锈、清洗、石油钻井、脉动燃烧等领域[1-6]。风琴管喷嘴、赫姆霍兹喷嘴以及空化射流喷嘴是最常见的自激振荡喷嘴。风琴管喷嘴是依靠风琴管的共振腔部分形成驻波来产生振荡,但产生强烈的自激振荡射流的必要条件为压力激动的频率与风琴管喷嘴固有频率相匹配[7]。赫姆霍兹喷嘴是靠剪切层涡量扰动及放大形成扰动波,扰动波的反馈形成新的扰动从而在扰动-放大-新的扰动这一反复过程中形成强烈的自激振荡脉冲射流[8]。从自激脉冲射流喷嘴的工作原理可知,要想实现自激振荡脉冲射流,必须满足剪切层不稳定性放大和有效反馈两个条件。Erdmanm等[9]研究表明:自由剪切层的不稳定性对扰动的放大与初始扰动的幅值、马赫数M、剪切层本身的雷诺数均无关,只对特定频率的扰动才具有放大作用,且该频率较高。张德斌等[10]通过实验发现在压降一定时,随着围压的增大,空泡在较小的程度时就破裂,空化作用和涡流环的发展都受到了限制,难以实现自激脉冲射流。国内外一些学者对自激振荡喷嘴进行了研究和改造。裴江红等[11]研究了一种双腔室自激振荡喷嘴,即将两个自激振荡腔串联起来,结果表明串联型自激振荡喷嘴的固有频率为196 Hz,其频率要小于单腔室自激振荡喷嘴的频率,但此频率与来流频率相差较大,难以产生谐振。戚美等[12]对双腔室自激振荡脉冲喷嘴空化射流外部流场进行了数值模拟,发现当腔长与腔径同时取最佳值时,脉冲性最佳具有较好的清洗效果。Cong等[13]用实验研究的方法研究了以附壁效应为原理的反馈射流振荡器的振荡特性,发现其振荡特性仅与振荡频率f和雷诺数Re有关,对振荡器配置不敏感。
由于传统的自激振荡喷嘴在高围压的条件下难以正常工作,对高围压下自激振荡喷嘴的研究,仍是一个重要的课题。在前人研究的基础上,基于附壁效应[14]和回流反馈作用设计了一种新型回流式自激振荡喷嘴,并进行了数值研究,以期为高围压、较低频率的新型高效自激振荡喷嘴的开发提供参考。
1 模型的结构
基本型回流式自激振荡喷嘴的结构如图1所示,振荡腔宽150 mm,振荡腔长130 mm,喷嘴的厚度为30 mm。其特点在于在振荡腔中加入两个整流块,整流块与振荡腔之间会形成回流通道。
图1 回流式自激脉冲喷嘴结构示意图
2 数值计算方法
应用FLUENT软件对喷嘴内部流动特性进行了数值模拟,得到回流式自激脉冲射流特性,并进行快速傅里叶变换(FFT),得出其脉动频率特性。
2.1 几何模型与网格划分
使用GAMBIT对回流式自激振荡喷嘴的计算模型进行网格划分。由于喷嘴振荡腔内部结构较为复杂,需要对计算域进行分块。近壁区域采用边界层网格,网格层数为4层。对于形状较为规则的上喷嘴、下喷嘴以及回流通道区域采用六面体结构化网格,对于振荡腔中间的不规则区域采用cooper方式进行六面体网格划分。计算模型的网格划分见图2。
图2 计算模型网格划分
2.2 边界条件与湍流模型
入口采用压力入口条件,压力为15.5 MPa,出口采用压力出口条件,压力为14.5 MPa,壁面无滑移,近壁面处采用标准壁面函数法处理。湍流模型采用RNGk-ε模型,采用SIMPLEC算法进行离散方程组求解。
2.3 网格无关性验证
为确定计算所需的合适的网格数量,将模型划分不同的网格数量,设置相同的边界条件及初始化,计算相同的步数,对比喷嘴出口的频率。如图3所示,当网格数超过40万时,频率已趋于一个稳定值,继续增加网格数量,计算结果的变化不会超过3%,为了得到较为精确的解,最终选取的计算模型网格数量为513 503。
图3 频率随网格数量的变化
2.4 计算结果的正确性验证
文献[13]用实验研究的方法研究了以附壁效应为原理的反馈射流振荡器的振荡特性。此次验证使用上述数值计算方法,在振荡器深度H=16 mm,喷嘴出口宽度Wj=4 mm,反馈通道宽度Wf=8 mm等同样条件下,模拟了反馈射流振荡器,将模拟的结果与文献[13]等的试验结果进行对比,如图4所示,试验结果与模拟结果较为接近,误差在10%以内。
图4 实验与模拟频率结果对比
3 数值计算方法
3.1 喷嘴内部流场特性
为了揭示回流式自激振荡喷嘴的内部流场特性,反映喷嘴自激振荡的内在机理,将对喷嘴内部流场进行分析。图5为不同时刻喷嘴内部流场的速度矢量图,图6为初生漩涡示意图,图7为漩涡的增大、下移示意图。
图6 初生漩涡示意图
图7 漩涡的增大、下移
从图5中可知,在喷嘴内部,射流的附壁效应和流体的回流反馈作用都真实存在。当t=0.104 270 s时,由于射流的附壁效应和回流反馈作用,主射流贴附在上振荡壁,导致上回流通道的回流量远大于下回流通道的回流量。与此同时,上振荡壁的上游部位与主射流之间会初生一个涡流,如图6所示。随着回流的持续作用,主射流与整流器上壁面之间的漩涡的增大与下移将推动主射流向对侧移动,如图5c)、图5d)、图5e)及图7所示。当t=0.121 070 s时,主射流已向下偏转贴附在整流器的下壁面。由于下回流通道的回流作用,这一相似过程将重复进行,使主射流向上偏转回到t=0.104 270 s时的初始位置,而主射流与下振荡壁之间的漩涡将进入下回流通道然后损耗并消失在回流通道内。
主射流进入喷嘴后在上下振荡壁之间的区域来回摆动,使喷嘴出口射流速度产生脉动,这便是回流式自激振荡喷嘴产生脉冲射流的内在动力及机理。由于射流的偏转速度较液体中的音速要小的多,回流式自激振荡喷嘴的脉动频率较普通的风琴管式或赫姆霍兹式自激振荡喷嘴要低很多。
3.2 喷嘴出口脉冲射流特性
3.2.1 喷嘴出口速度脉动特征
图8为回流式自激振荡喷嘴出口处的速度脉冲时域图。由图8可知,喷嘴出口处的射流脉冲效果明显,出口速度在22~39 m/s之间脉动,且脉动的波形较好,噪音低,喷嘴的脉冲性能较好。
图8 喷嘴出口速度时域图
图9为回流式自激振荡喷嘴出口速度时域图经过FFT变换后得到的频谱图,由图9可知,喷嘴出口速度脉动频率为67.1 Hz,且较单一,脉冲特性较好。唐川林等[15]曾在10~30 MPa高围压条件下用实验的方法研究过自激振荡脉冲射流喷嘴的频率特性,得出的结果为随着压力和振荡腔长度的参数变化,脉冲射流频率在650~1 000 Hz范围内变化。由此可见,回流式自激振荡喷嘴在高围压条件下实现了自激脉冲射流,脉动频率明显降低。
图9 喷嘴出口频谱图
3.2.2 不同围压下喷嘴出口频率
为了研究回流式自激振荡喷嘴在不同围压下的脉冲性能,对同一喷嘴结构取相同的出入口压差不同的出口压力,模拟不同围压条件下喷嘴的脉动频率性能。回流式自激振荡喷嘴的脉动频率随围压变化见图10,不同围压下脉冲频率范围为61~65 Hz,可见围压对喷嘴的脉动频率影响较小。只要保证喷嘴的出入口压差一定,喷嘴出口的脉冲范围和频率随着压力的变化基本保持不变。
图10 脉动频率随围压变化图
3.2.3 出口脉动频率与振荡腔长度的关系
保证边界条件以及其余参数不变的前提下,只改变振荡腔长度,进行数值模拟计算,得到喷嘴脉冲频率随振荡腔长度的变化规律见图11。
图11 脉动频率随振荡腔长度变化图
随着振荡腔长度的增大,喷嘴出口频率下降,主要是由于振荡腔长度越大,回流通道的长度也越大,流体通过回流通道的时间也越长,由回流流体导致的涡流的形成、增大与移动的过程也越慢,主射流在附着壁上停留的时间也越长,涡流推动射流摆动的频率越小。脉冲频率与振荡腔长度近似成一条二次曲线关系,可以根据计算结果求出其一元二次回归方程为
(1)
式中:f为频率,Hz;Lc为振荡腔长度,mm。
在其他参数不变的情况下,能够根据此式预测喷嘴出口的脉冲频率。因此,振荡腔长度对喷嘴出口的脉冲频率影响较大,能较容易地通过改变振荡腔尺寸的来调整回流式自激振荡喷嘴的频率。
4 结论
1) 通过对回流式自激振荡喷嘴内部流场的数值模拟,可以发现由于回流通道的存在,主射流在喷嘴振荡腔内来回摆动,造成回流式自激振荡喷嘴出口参数的脉冲。
2) 相比于传统的赫姆霍兹喷嘴,在入口压力15.5 MPa,出口压力14.5 MPa时,出口速度脉动范围22~39 m/s,脉冲频率67.1 Hz,脉动幅度大,脉动效果好。
3) 回流式自激振荡喷嘴脉动频率受围压影响不大,可以适用于低围压和高围压条件;而且通过改变振荡腔的长度,可以调整其脉动频率,回流式自激振荡喷嘴变型设计容易,适用范围更广。