振荡射流研究进展

吴梦维，徐敏义，米建春,

1.北京大学 工学院，北京 100871 2.大连海事大学 轮机工程学院，大连 116026

0 引 言

射流控制技术在流动分离[1-2]、流体混合[3-4]、对流换热[5-6]和微流量测量[7-8]等多个领域发挥着重要作用，是流体力学领域的热点研究方向之一。自然未经控制的射流分直流和旋流2 种，前者初始只有轴向动量，而后者初始不仅有轴向动量，还有横向动量或角动量。直流射流在近场区横向交换输运慢，很难与周围流体快速混合，无法满足一些工业过程的需求[9-11]。要使直流射流实现有效的横向卷吸和流体混合，需在喷嘴出口或上游实施某种控制使射流有横向动量或角动量，使之横向间歇式和周期性地“动起来”。例如，让射流做振荡[12-15]、拍打[16-17]、旋转[10,18]、旋进动[19-21]等运动，这里将以上射流统称为振荡射流（oscillating jet）。

从本质上讲，振荡射流是一种双稳态的流动，这意味着在一定的参数范围内，流动可以在2 个不同的稳定状态之间转换。这种双稳态流动在随机的扰动下会趋于其中一个稳态，从而产生周期性的自激振荡行为。为探索振荡射流的运行机制，大量学者通过实验和理论分析的方式对振荡射流进行了研究[22-27]。Rockwell 等[22-23]详细综述了自激振荡在湍流自由剪切层中的表现，发现在振荡射流中，不稳定性通常源于剪切层的形成和发展。当流动经过喷嘴时，高速气流与静止气流之间的剪切作用导致了剪切层的生成。随着流动的发展，剪切层中的扰动逐渐放大，从而导致Kelvin-Helmholtz 不稳定性的出现。这种不稳定性使流动中的涡旋结构发展并相互作用，导致流动在不同的稳态之间转换[24-25]。同理，如果进行特定的结构设计或人为在喷嘴出口施加扰动便可以控制自激振荡射流的形成和发展。进一步，Juniper[26]探讨了限制条件对射流稳定性的影响，发现限制条件不仅会导致振荡射流的产生，还会对其振荡频率和幅值产生影响。此外，El-hak[27]对几种常见的流体控制方法（包括自激振荡射流及其作用机制）进行了详细的阐述，发现对射流进行高效控制有助于提高燃烧效率和降低噪声。

20 世纪70—90 年代，涌现了大量射流控制方面的研究，包括主动和被动控制技术[28-36]，如进行主动控制的音频激励[28]和涉及移动部件的机械式激励[29-31]等。需要指出的是，虽然已经证明这些主动激励控制技术在实验室中对射流流动机理和混合特性的基础研究非常有效，但控制装置的大小、重量及其对运行条件和日常维护的严格要求极大限制了它们的工业应用，特别是在涉及高温燃烧的工业领域。在实际工业过程中，射流控制需要设备操作简单、不涉及移动部件、可适应各种恶劣条件，并且效率高、能耗低。鉴于此，多种被动控制的自激振荡射流喷嘴应运而生，例如反馈式射流喷嘴[10,32]、旋进式射流喷嘴[11,33]、振荡射流喷嘴[34-35]、拍打射流喷嘴[17]和“哨声”喷嘴[36]等。这些射流装置可自发诱导射流周期性振荡，使射流变为自激振荡射流。另外，有些自激振荡射流装置可以通过改变喷嘴几何结构（如大小、比例尺度）来改变射流振荡频率，从而改变射流的流动特性[37]。大量实验[11,33-38]证实：与传统直流和旋流射流相比，这些自激振荡射流显著增强了射流的大尺度混合，有利于优化某些实际工业过程的控制，使之更加节能高效。但这类自激振荡射流装置在实际运行过程中几何结构和尺寸都是固定的，很难随时、任意改变，故其喷射范围和混合特性都无法灵活调节，不适合用于初始运行条件不断变更的工业过程，如变负荷的工业燃烧等。

综上，振荡射流是一种具有广阔应用前景和发展潜力的技术，尤其在当前全球能源紧缺，世界各国积极推进“碳中和”的大背景下，振荡射流技术作为一种推进能源高效利用的关键技术，应当受到更多的重视，得到更多的发展。但现有的振荡射流技术，无论是主动控制技术还是被动控制技术都存在一定的局限性，如何发展更高效的振荡射流技术是目前摆在众多研究者面前的问题。在思考这个问题之前，对振荡射流技术的发展现状进行一个全面总结是十分必要的。过去也有学者对振荡射流进行了综述[39-41]，但是这些文章只涉及到两三种振荡射流的流动数据和应用方面的对比，目前还未见任何综述文章系统地对各种振荡射流进行归纳总结和分类。

本文首先对7 种振荡射流的研究和发展现状进行综述，分析相关技术工业应用的局限性；然后，阐述这些振荡射流的产生方式和部分研究成果；最后，提出振荡射流技术存在的问题及工业应用的建议。

1 振荡射流的研究现状与分类

1.1 振荡射流的国内外研究现状

国外关于振荡射流的研究开始较早，二十世纪七八十年代经历一段快速发展期后，一些相关技术已经在工业生产中得到应用[42-43]。斯坦福大学[44-47]、佐治亚理工学院[48-49]、新南威尔士大学[31]和阿德莱德大学[50-51]等高校在诱导振荡射流方面做了很多原创性工作，为振荡射流的研究和理论分析奠定了基础。新南威尔士大学的Davis[31]首先提出了利用微射流对主射流进行控制，并研究了微射流的速度和喷嘴直径变化对作用效果的影响，发现了2 种作用机制。一是微射流速度适中时，主射流未被穿透或严重扭曲，主射流受影响不大。在这种情况下，微射流的作用是提高主射流湍流区的混合率，并使局部速度降低约30%，主射流速度的减小与微射流速度的二次方和微射流尺寸的三次方有关。二是微射流作用发生在较高的速度下，微射流穿透主射流的势流核心，并引起了主射流截面从圆形到显著扭曲的变化。但是主射流的局部速度对微射流速度不太敏感，只有当微射流非常靠近主喷嘴出口时，主喷嘴的质量流量才会受到显著影响。斯坦福大学的学者[44-47]研究了在喷嘴出口处适当结合轴向和周向激励所产生的分叉和喷射射流。在恰当的激励下，射流可以被分成2 个独立的射流（分叉射流），每个射流携带一半的轴向动量，并以类似于单一射流的方式扩散。也可以产生三分叉射流或者射流爆炸成旋涡环簇的远场流，分叉和爆炸的射流表现出比正常射流更大的混合，具有广阔的应用前景。阿德莱德大学Luxton 和Nathan[21]开发的自激旋进动射流喷嘴，以及后来米建春等[50-51]发明的多种形式（包括微小射流对主射流的初始侧向扰动激励）的振荡射流在工业窑炉中得到了应用。在2 MW 水泥回转炉上的实际运行测试表明：与传统的多股射流燃烧器相比，自激振荡射流燃烧器降低了约40%～60%的NOx排放，同时还提高了8%～10%的水泥产量，换言之，节约了燃料的消耗并降低了CO2的排放。在煤粉燃烧的应用中也发现振荡射流能减少约30%的NOx排放，节约5%的燃料并且大幅缩短着火距离[42-43]。

国内关于振荡射流的研究起步较晚，目前主要是哈尔滨工业大学、国防科技大学、上海交通大学、北京航天航空大学和西北工业大学等高校对振荡射流的机理及其在矢量控制和对流换热等方面的应用做了一些研究。哈尔滨工业大学周裕团队主要研究了不同喷射夹角和频率的侧向微射流激励器（单个或多个）对直流主射流的影响，分析了微射流和主射流的耦合过程以及主要影响物理因素，并且构建了一套自己的控制系统[52-55]。国防科技大学的罗振兵团队对合成射流控制主射流矢量的过程和机理进行了大量研究，通过研究不同倾角合成射流（单个或多个）对主流矢量的影响，实现了主射流矢量偏转角可控的振荡[56-57]。上海交通大学刘应征团队在反馈腔体诱导的振荡射流方面做了一些出色的工作，研究了射流振荡器内部几何结构和振荡频率等对流动特性的影响[58-61]。

总体而言，对于振荡射流的研究，前人已经做了大量工作。虽然国内关于振荡射流的研究起步较晚，但是近年来随着航天航空、低碳燃烧等相关工业技术的迅速发展和国家对基础学科发展的逐渐重视，国内相关技术的研究已经基本接近或达到国际先进水平。但是，国内在振荡射流的成果转化方面与国外还存在一定的差距，因此建议国内进行基础研究的同时也应积极推进振荡射流的成果转化及实践应用。

1.2 振荡射流激励方式的分类

图1 振荡射流激发方式分类Fig.1 Classification of oscillating jet excitation modes

反馈式的激励方式通常被认为是利用反馈腔中的压力波传递来驱动射流的振荡[62-64]，也有一些学者认为振荡产生的原因是受到了分离涡的挤压[65-66]。钝体-V 形喷嘴的驱动原理和反馈式相似只是结构不同，射流振荡发生的位置在混合腔内[67-68]；当射流冲击V 形板时会发生周期性的振荡，利用这个原理可以制作微型流量计来检测微流量流动时的流速[8]；从狭缝喷出的射流进入突扩腔体会诱发射流做自激拍打运动[16,21]；射流和柔性薄膜互相作用也会引起射流的振荡运动[17,38]。下文将分别介绍以上7 种激励方式，为读者了解相关领域发展提供参考。

2 振荡射流的主要激发方式

2.1 微射流

微射流诱导产生的振荡射流是一种通过交替吹吸周围流体或压缩空气装置产生微射流来诱导主射流振荡的方式。研究最多的是通过活塞往复运动、压缩空气瓶、音频激励器和腔体内膜片振动产生的微射流。图2 展示了产生微射流的4 种主要方式，图2（a）[69]通过控制步进电机使活塞在气缸内以近似正弦函数的时间周期函数振荡，进而在出口产生周期性吹吸的微射流。图2（b）展示了哈尔滨工业大学大周裕团队[53]常用的一类由压缩空气供应产生的微射流，该微型射流器由电磁阀控制，最大频率可达1 kHz。电磁阀由0～5 V 方波信号的直流电源驱动，电源可调节空气喷射频率，最高可达500 Hz[53-55]。图2（c）[70]是由音频激励产生微射流的方式，这种方式将扬声器密封在只有一个出口的腔体内，通电后扬声器的纸盘会上下振动在腔体出口产生压力脉冲微射流。有实验表明，由正弦电流音频激励在腔体出口产生的流动也是一种相位延迟的正弦波振荡射流，这类微射流出口的进一步流动描述可参考文献[48-49,71]。图2（d）[72]是一种产生微射流的新方式，该装置由两端被压电膜片（PZT）隔开的2 个密封腔体、2 个出口和一个滑块（SB）组成。工作时，压电膜片在电流的驱动下来回振动。当膜片向右运动时，右侧腔体内的流体被压缩排出，同时左侧腔体内的流体开始膨胀并将周围流体吸入腔体；当膜片向左运动时，情况则相反。左右腔体产生的微射流始终有180°的相位差。

图2 微射流产生方式Fig.2 Microjet generation modes

通过微射流诱导振荡射流时，微射流的出射方向不同，诱导射流的原理也略有不同。如图3（a）[73]所示，微射流与主射流之间有一个夹角，此时主射流在横向上的振荡由微射流在横向上的动量交换所诱导。值得注意的是，微射流的速度和尺寸对能否诱导主射流振荡至关重要。在其他条件相同的情况下，主射流和微射流间的夹角发生变化会影响二者交汇的位置，进而对二者的相互作用产生影响[73]。图3（b）[74]展示了微射流平行于主射流的方式，此时微射流的吹吸过程会导致主射流一侧压强降低并发生偏转。另一种则是微射流从喷嘴出口径向作用于主射流，二者是垂直的（图3（c）[54]），此时通过控制微射流的大小、个数、相位差等就可以实施对主射流的控制。值得注意的是，图3（c）所示方式不仅可以产生振荡射流，还可以控制主射流激发多种模态。

图3 侧向微射流与主射流射出方向示意图Fig.3 Schematic diagram of the direction of lateral microjet and main jet

为了让读者对振荡射流有一个更直观的印象，选取了一些实验流动显示和数值模拟计算的云图进行展示，如图4 所示。图4（a）[74]展示了在主射流上侧有一个可控微射流时（对应图3（b）），一个周期内振荡射流运动的纹影图（t 为时间，T 为时间周期）。可以看出：没有微射流时，主射流基本沿喷嘴轴线方向向下游直流发展。随着微射流的开启，主射流向上偏转，在到达最大偏转角度（约30°）后逐渐恢复至轴线位置。图4（a）中只有一个微射流在作用，所以主射流只在轴线的一侧进行振荡。如果有2 个微射流对称布置且相位差设定合适，便可以实现主射流在喷嘴出口的整个范围内进行振荡。图4（b）[69]显示了2 个微射流同步驱动和矢量驱动时的平均动能，当合成射流同步驱动时，在两侧诱导了2 个关于主射流轴对称的反向涡，射流主体依旧沿轴线向下游发展。图4（b）右图显示了一个有趣的现象：在低位微射流被驱动时，未控制侧的回流区会产生更大的压差，这个回流区也卷成一个与微射流产生的涡流大致对称的反向旋转涡流，且射流主体向微射流侧偏转。图4（a）和（b）展示是微射流平行主射流射出的流场情况，这种情况下的射流振荡是由压差作用所引起的。图4（c）[53]则显示了圆形自由射流和在径向施加微射流进行控制的流动结构，从图中可以看出：自由射流出现了明显的涡脱落现象并沿出口轴线向下游发展，而径向施加了微射流进行控制的射流主体未表现出大尺度的拟序结构，且会上下交替振荡。从图中的烟雾浓度也可以看出微射流诱导的振荡射流烟雾扩散面积更大、浓度更低，即振荡射流可以有效增强射流主体和环境流体的混合。

图4 流场显示和应用示意Fig.4 Flow field display and application diagram

2.2 机械式

机械式振荡射流的主射流在外部机械装置带动下产生振荡运动。如图5（a）[75]所示，这类机械装置绕自身轴线进行旋转，同时主射流的出口与机械装置的旋转轴有一个夹角。这种方式可以使整个射流进行大规模的低频振荡，从而增强流动的大尺度混合，已被应用于工业燃烧器。Schneider 等[19,20,76]利用激光多普勒风速仪（LDA）和微型四孔“眼镜蛇”皮托管探针研究了振荡射流场中的速度和压力，发现射流从喷嘴螺旋状流出，在回流区周围形成螺旋状。图5（b）展示了用LDA 系统测量的相位平均轴向速度云图，从图中可以看出：在x/d=2（x 为轴向距离，d 为喷嘴直径）处有一椭圆形的核心区域，且在“背风”一侧存在轴向的向上流动；存在2 个截然不同的反向流动区域，一个在射流和旋转轴之间，另一个在射流的外缘。在x/d=4 和6 处，轴向位置存在射流与旋流轴（中心回流）之间的相均逆流区。在x/d=8 和12 处回流区消失，流场几乎是轴对称的。进一步的，如图5（c）显示的时间平均速度分量所示，回流在4 ≤ x/d ≤ 6 区域最强，其直径范围约为喷管出口直径的2 倍，射流在回流区周围振荡。有趣的是，随着轴向距离增加，速度轮廓变得更加均匀，且在x/d=8～12 范围内流动的径向范围并没有显著增加。如图5（d）所示，8 ≤ x/d ≤ 12 区域的正径向时间平均速度非常小；靠近旋转轴的负径向分量表示净流入，即流入再循环区域。切向时间平均速度分量（图5（e））在射流的初始区域显著。但在r/d > 6 的区域，整体的切向分量可以忽略不计。此外，Nobes[77]还利用平面Mie 散射技术测量了振荡射流的标量（混合分数）场，显示了近场螺旋流的更多细节。他们捕捉到了一个在近场螺旋流内以类似横流中的射流的方式反向旋转的涡对，发现对于较宽范围的无量纲旋转频率（Strouhal 数）而言，近场螺旋流在进行大约一圈螺旋后就会“崩塌”，继而进一步向下游发展，射流过渡到类似于简单射流的状态。米建春等[75]使用热/冷丝组合探针对机械式振荡射流在Strouhal 数为0.02 时的速度场进行了较为详细的分析。

图5 机械振荡射流示意图Fig.5 Schematic diagram of mechanical oscillating jet

2.3 反馈式

反馈式振荡射流激励器是一种不使用任何运动部件并且具有稳定流体供应的振荡射流装置。Woszidlo 等[62]根据反馈通道的数量将反馈式振荡射流激励器分为无反馈通道、单反馈通道和双反馈通道3 类，如图6 所示。图6（a）[78]为无反馈通道的激励方式，该方式先将1 股流体分成2 股，然后以一定角度进入混合室发生碰撞，由此产生的剪切层不稳定性将导致射流主体在出口大规模振荡。图6（b）[79]为只包含1 个反馈回路的振荡射流激励器，当射流附着在一边时会产生低压，通过反馈通道将射流吸引到另一边，因此振荡行为主要由反馈通道的几何形状和尺寸决定。值得注意的是，图中振荡射流激励器出口处虚线轮廓的分离器是非必须的，它的存在与仅否决定出口是离散的还是连续的，如果没有分离器，射流便做连续的扫掠运动。图6（c）[80]为双反馈通道振荡射流激励器，振荡机制为流体从主射流通过反馈通道转到振荡进口，在此导致主射流向另一侧翻转，进而产生连续的振荡。

阿里是老巴的长子。东亭的路边是他玩耍的场地。以前这里只有土路，不走汽车。家里也从不担心他会被车撞着。搬来东亭的新户最先认识的人差不多就是阿里。阿里见到陌生人，总是先打招呼。阿里说：“我叫阿里。”

图6 不同类型反馈式振荡射流激励器Fig.6 Different types of oscillating jet exciter with feedback

日常生活中最常见的一种是反馈式振荡射流激励器是挡风玻璃清洗机的液体喷嘴[81]。这种振荡射流激励器产生的扫掠射流相对于稳定射流扩散角更大、分布更均匀，可有效改善表面湿润性，减少风挡雨刷叶片的磨损。喷雾宏观特性和喷雾粒径分布对控制这些喷嘴的表面润湿性和优化其作为挡风玻璃清洗液喷嘴的性能具有重要意义。图7[63]展示了无反馈式振荡射流激励器的示意图、高速纹影系统拍摄和数值模拟的振荡过程。从图7（b）可以看到：喷雾随时间变化的运动轨迹，喷雾在喷嘴出口向两侧交替抖动摆角为53.45°。图7（c）为利用三维联合仿真模型模拟扇形扫掠喷雾的喷雾形态和振荡过程所得结果，从图中可以清晰地看到振荡射流的运动过程和流场显示，更加细致的结果见文献[63]。

图7 无反馈激励射流[63]Fig.7 Non-feedback excitable jet[63]

图8 显示了Guyot 等[64]设计的带有振荡射流激励器的钝体燃烧器示意图和该燃烧器典型火焰的照片。钝体由一个环状结构支撑，主燃料通过40 个钻孔注入，每个钻孔直径1.1 mm，沿固定在钝体上游端的一根管子等距离分布。旁通气流将燃料带入钝体下游的再循环区内燃烧，如图8（c）所示，燃烧实验中的锚定火焰在钝体下游端的回流区。Guyot 等的结果显示：在没有振荡射流激励器进行燃料调制时，燃烧室具有较强的低频燃烧不稳定性，采用燃料调制可降低某些振荡频率下的燃烧不稳定性。图8（d）为单反馈回路振荡射流的详细工作机制。由于“科恩达效应”，射流通过控制端口并附着到壁面一侧（较低的一侧）[64]。当主射流通过出口1 流出时，流体从上反馈通道的下游端夹带，导致该反馈通道中的吸入朝向出口1。因此，低压波通过反馈通道传回控制端口，将射流从腔室的一侧切换到另一侧，即出口2，这样2 个出口都产生了振荡射流，并不断来回切换。

图8 单反馈振荡射流激励器燃烧装置及工作机制[64]Fig.8 Combustion device and working mechanism of single feedback oscillator[64]

在3 种反馈式振荡射流中，双反馈振荡射流的研究最多，独特的连续振荡特性使其在流动分离控制[82-84]、气动减阻[85-86]、噪声控制[87-88]和燃烧减排[12,89]等领域获得广泛应用。研究发现腔体的形状和尺寸均会对振荡频率和应用效果产生影响。Hossain 等[90]采用数值模拟的方法研究了8 种不同的射流出口扇形角（θ=0°～130°）对冲击换热性能的影响（图9（a）），发现由于额外的热空气夹带，振荡射流使主射流显著升温，自由射流区湍流强度也随之增加，局部混合因此增强，从而增强了剪切层的局部传热速度。随着喷嘴出口扇形角增大，撞击壁面平均换热变差，传热均匀性（冷却均匀性）变好。Seo 等[13]研究发现反馈通道长度对振荡频率的影响可以忽略不计，但对振荡振幅有明显影响（图9（b））；并在此基础上，研究了混合室长度对射流振荡频率的影响，发现虽然腔室长度（或入口与出口间的距离）越长，射流振荡频率越低，但频率并不与腔室总长度成反比。Ostermann 等[91]对比了反馈腔体为弯角和直角时流动特性的变化：弯角腔体出口射流的偏转角度更大，但是外部流场中流体非均匀分布；相比之下，直角腔体偏转角较小，流体分布更均匀，如图9（c）所示。因此，在实际应用中可根据需求结合这2 种振荡器各自的特性进行合理选择。

图9 反馈式腔体相关研究示意图Fig.9 Schematic diagram of feedback cavity related research

2.4 钝体-V 形激励器

钝体-V 形激励器利用钝体堵塞块诱导射流在振荡器腔内振荡，然后从两侧的V 形通道交替喷出形成分叉射流。由于其特定的结构设计，钝体-V 形激励器可以有效地稳定火焰，被应用于许多燃烧装置中[67]。黄荣芳团队做了较多关于钝体-V 形激励器诱导振荡射流的工作，发展了一种带有伴流气流的钝体-V 形燃烧器（图10（a）[9]），对分叉射流的火焰行为、长度和温度分布进行了实验研究。图10（b）[68]为进一步改进的装置，即将堵塞块变为新月形，且为了让分叉射流在中心汇集，又在出口处添加了2 个短板。其工作原理是首先引导平面射流冲击封闭在流体振荡器腔内的新月形表面，腔体的几何构型将射流从对流不稳定转化为绝对不稳定，使射流相对于腔体持续前后摆动。摆动的射流随后被引导通过2 个通道并从流体振荡器交替发出，在出口处2 个短板的诱导下向中心轴偏转。两偏转射流相互碰撞，形成1 对反向旋转的涡旋，在碰撞点处有一个驻点。由于两射流之间存在相位差，反向旋转涡对的驻点横向往复移动，反向涡旋形成的合并流呈现出复杂的横向振荡行为。

图10 钝体-V 形激励器Fig.10 Blunt body V-shaped jet exciter

图11 显示了图10（b）装置腔内流动的振荡运动过程。在图11（a）[92]左上图中，射流撞击的位置大致在目标堵塞新月形表面的中点。如图11（a）右上图所示，随着时间的推移，射流向右摆动，产生1 对反向旋转的旋涡，左旋涡顺时针旋转，右旋涡逆时针旋转。在图11（a）左下图中，射流向左摆动，再次接近中心位置；随后射流继续向左摆动，产生反向旋转的旋涡，附着在左侧壁面上，并通过左侧通道从短板处发出，如图11（a）右下图所示。射流在腔内持续周期性地左右摆动，在侧道出口处交替以反相角向下游区域发射。

图11 振荡射流的流场显示Fig.11 Flow field of oscillating jet

Zeleke 等[68]研究了雷诺数对振荡射流的影响，并且按照雷诺数大小将振荡射流分为4 种特征流动模式，分别为非振荡、亚临界振荡、临界振荡和超临界振荡。非振荡射流是稳定的，无横向振荡；亚临界和超临界振荡射流都有周期性的振荡；临界振荡是非周期性的不稳定振荡，对应的雷诺数大小介于亚临界和超临界之间。图11（b）[68]为临界振荡时喷嘴出口的流动显示，此时向下游演化的合并单射流表现出横向不稳定性，合并后的单射流初始部分向左上、竖直或右上方不规则地移动了一段时间，然后改变方向，并且没有周期性。Huang 和Chang[92-93]也发现振荡射流在临界雷诺数时会不规则摆动。因此，在这种情况下，从两侧射流撞击点开始的合并单射流不存在周期性的横向振荡，只表现为非周期性的不规则摆动运动。

2.5 冲击V 形板

当平面射流撞击放置在下游的一块V 形板时，会发生周期性振荡的现象。利用这种现象可设计用于检测小体积流量（下降到2 nl/s）和超低流速（0.15 mm/s）运动的微机械流量传感器[8]。微机械流量传感器可应用于生物医学检测、微量分析系统、智能流体等各个领域。这种微机械流量传感器检测的是周期性振荡射流的振荡频率，而不是小体积流量诱导的直流电流或电压信号，因此比一些产品具有更高的灵敏度和更大的动态范围。Lee 等[8]在微尺度且雷诺数为0.2～5.4 的情况下，发现流速仍然与射流拍打频率成正比关系，即可以通过检测拍打频率来测量小流量的流速或体积流量。图12（a）[8]展示了1 种通过冲击V 形板产生振荡射流的结构：射流从喷嘴喷出，撞击墙面的V 形板（圆弧板）便会发生横向振荡。图12（b）[94]为椭圆形三构件流体振荡器，由3 个独立的元件组成，其中，2 个椭圆截面的元件横放在通道上，椭圆的主轴与流动方向平行，形成一个锥形的喷嘴，面向喷嘴的第3 个元件称为后体，具有U 形几何形状。射流撞击后产生振荡的后体腔体称为振荡室。该射流振荡器在运行过程中，来自喷嘴的射流撞击振荡室壁面，分裂成2 股反向流，同时产生1 对反向旋转的大尺度涡结构。一开始，振荡腔内的流场是对称的，射流上下侧的反向流动以相同的流量从上下通道流出。然而，这种对称布局引起的流动是非常不稳定的，任何微小的流动不对称都将导致射流向一侧偏转（上或下），从而破坏其对称性，并立即激发射流的周期性大尺度振荡。当2 个前构件之间形成的射流在振荡腔内往复振荡时，就会形成脉冲回流，并由尖峰引导进入主流。有趣的是，若在V 形板尖端开一个口，如图12（c）[95]所示，射流就会以拍打的形式从开口喷出，这种结构和反馈式腔体有点相似，只是两侧连接的是开放空间，拍打的发生依旧是由压差造成的。

图12 几种V 形板装置示意图Fig.12 Schematic diagram of several V-shaped plate devices

图13 为平面射流撞击V 形板周期性振荡的一系列图片[8]。V 形板的角度为70°，从图中可以清楚地看到：射流随时间变化周期性地上下拍打。速度低于4 mm/s 的情况下，V 形板角度为110°和70°的时，气流速度仍与射流拍打频率成线性关系（图13（b））。因此，可以通过检测拍打频率来测量小流量的速度（或体积流量），不过，V 形板的角度不同，对应线性关系的斜率也不同。另外，实验发现：即使V 形板角度不同，得到的Strouhal 数均约为0.12，即拍打频率与流速呈线性关系（图13（c）），这也是一个具有工程应用价值的结果，可以用于测量小流量的速度（或体积流量）。

图13 平面射流撞击V 形板[8]Fig.13 Plane jet impinging v-shaped plate[8]

图14[94]为射流从上侧壁最大偏转点到下侧壁最大偏转点过程中振荡腔内的速度、涡量和压力分布图。这个过程对应的时间间隔实际上是射流振荡的半个周期。可以看到，在t 为 0.995 和 1.062 s 时，射流撞击凹壁的位置相同。但是，从速度大小和涡量等值线可以看出，射流中心线的凹度发生了变化，在t=1.062 s 之后，射流开始向下侧壁偏转。此外，从0.995 s 到1.062 s，射流周围的压力分布也发生了突变：在t=0.995 s 时，射流下侧的压力低于上侧的压力；而在t=1.062 s 时则相反。横贯射流的压力梯度突变导致射流中心线凹凸度变化，使射流迅速被推向下侧壁。当射流偏转时，上侧压力继续减小、旋涡变大，而下侧旋涡开始阻塞输出通道，导致下侧的压力增大。射流周围2 个反向旋涡的相互作用、涡的尺寸变化和堵塞效应所导致的区域内压力非定常变化是射流振荡的主要驱动机制。同时，数值计算所得射流最大偏转角小于通过PIV 观测到的最大偏转角。

图14 椭圆型三构件流体振荡器数值模拟计算的速度、振荡室内的涡量和压力分布图[94]Fig.14 Velocity,vorticity and pressure distribution in the oscillating chamber calculated by numerical simulation of the elliptic three-member fluid oscillator[94]

2.6 自激振荡

当射流在一定的条件下从一个狭缝喷入突扩腔体就会在腔体内振荡，这种射流被称为自激振荡射流。20 世纪80 年代，Luxton 等[21]发现了流入大型圆柱腔体的非旋涡、轴对称射流自然发生的振荡（旋进动），从此对通过腔体诱发的自激振荡射流进行了大量研究。在不同的喷嘴形状下射流振荡的形式是不同的，研究最多的有矩形喷嘴、三角形喷嘴和圆形喷嘴。图15（a）是米建春等[16]实验用的矩形喷嘴，喷嘴（0.6 mm × 8.5 mm）和方腔（14.5 mm × 14.5 mm）的中心线是重合的。他们的研究发现：射流从上游狭小的矩形缝隙喷入下游方腔内，整个射流做二维拍打运动。Lee 等[96]将三角形喷嘴固定在圆形腔体内，如图15（b）所示，射流在腔体内发生振荡，在出口平面的3 个角之间往复振荡。图15（c）[97]显示了圆形自激腔体内部和出口截面的流动，从图中可以看到：腔体内部射流整体绕喷嘴轴线进行大尺度的旋进动，并伴随着高速旋转的环流（一部分从腔体外吸入，其余是射流本身的部分回流）。

图15 3 种自激振荡射流装置示意图Fig.15 Schematic diagram of three self-excited oscillating jet devices

图16（a）[16]为矩形喷嘴产生的振荡射流在水下进行可视化的8 个图像序列，图中显示了拍打运动的一个完整周期（约为0.292 s），时间间隔约为0.042 s，矩形喷嘴处的雷诺数约为5 700。从图中可以看出：射流的整体振荡很明显，这导致了大规模的相干运动和扩散速率的增大；在所研究的条件下，整个射流的振荡是连续的。由于可视化设施限制了通过喷嘴的最大流量，所以该实验使用的雷诺数比在空气射流中测得的低。尽管如此，米建春等还是通过手动计帧的方式发现水射流拍打的Strouhal 数（约7.0 ×10-4）与空气射流的拍打Strouhal 数（约 6.7 × 10-4）大致相同。Lee 等[96]在三角形喷嘴出口平面中心固定一条飘带，通过飘带侧视图照片显示射流振荡的振幅，每幅胶片图像的曝光时间为5～10 s（图16（b））。结合喷嘴出口的正视图可以了解飘带的实际运动状态，通过飘带的运动也证实了在一个圆形腔体内设置三角形喷嘴可诱导射流自激振荡。从图16（c）[97]中可以直观地看到圆形振荡射流的整体运动，从侧面看与上述2 种振荡射流相似，但是从出口端面遗留的灰尘痕迹可以看到，吸入腔体的环流是顺时针旋转的，射流则必然是逆时针旋进动的，射流和环流的角动量互相平衡，流动整体满足射流在腔体上游入口处只有轴向动量或者无旋的条件。

图16 自激振荡射流运动显示Fig.16 Motion display of self-excited oscillating jet

2.7 薄膜自激拍打

生活中常看到旗帜在风中拍打，并且旗帜在拍打的同时又会影响风的振荡运动。如果将风和旗帜视为同一系统中存在的部件，这个过程显然也可视为一种自然的自激现象。借用此自然现象，徐敏义等[17]于2019 年提出了一种基于柔性薄膜拍打的射流振荡方式，其装置如图17（a）所示：在射流喷嘴出口中心处，一端固定的柔性（矩形）薄膜在速度足够高的射流中像旗帜一样拍打着，并引起整个射流的振荡。他们还研究了薄膜长度和雷诺数对薄膜拍打运动的影响，如图17（b）所示。在实验中，徐敏义等确定了拍打和非拍打区域，并发现薄膜拍打过程存在类似雷诺实验的迟滞区。当射流速度从0 逐渐增大时，薄膜在迟滞区内是静止的；然而，射流速度从薄膜拍打区逐渐降低时，部分迟滞区内薄膜仍然拍打。图17（c）为自激拍打射流流场的可视化照片，显然，拍打射流的扩散角远大于无薄膜存在的直流射流。实际上，当流体流过薄膜两侧，由于流体动力不稳定性产生的薄膜微小弯曲使两侧产生压差，从而使薄膜向一侧弯曲；而弯曲程度越大，弯曲刚度产生的力就越会驱使薄膜回到稳定的平面状态，所以薄膜连续性拍打或拍打射流应该视为流体动力学诱导的自激现象。徐敏义等还发现：与自由直流射流相比，拍打射流对周围流体有更强的卷吸和掺混能力，且薄膜拍打诱导的振荡射流的Strouhal 数比上述传统的腔体振荡射流要大约两个量级（图17（d））。之后，吴梦维等[38,98]通过进一步实验证实了拍打射流在射流增混方面存在着巨大优势，并且发现不同薄膜宽度的拍打射流在流动特性上存在显著差异，下一步将加入主动控制系统来增强拍打射流的有效范围。在实际应用中，薄膜长度可通过转轴或者推拉的方式进行主动调整，因此薄膜自激拍打诱导振荡射流也可改造为一种主动的射流混合控制方式。

图17 薄膜拍打诱导的振荡射流研究[17]Fig.17 Picture of oscillating jet induced by film flapping[17]

3 结论和建议

3.1 进一步发展振荡射流的建议

振荡射流在诸多工业领域中都有应用，无论是与国家安全息息相关的航天航空领域，还是能源、化工甚至精密仪器制造领域，振荡射流都发挥着重要的作用。发展主动和被动控制振荡射流可以有效控制射流的混合特性，使诸多相关的工业过程能更有效地实现节能减排。随着《中国制造2025》行动纲领的提出，以及为应对全球气候变化推进经济转型承诺的2030 年“碳达峰”和2060 年“碳中和”等一系列计划的实施，振荡射流控制技术将可能作为关键技术迎来新的研究契机，同时也能为服务国家重大需求做出贡献。但从目前的射流控制技术来看，无论是主动控制还是被动控制，都既有着自身的优势，也存在不容忽视的缺陷。

主动控制通常需要额外的能量输入，控制系统具有非线性和复杂性的特点，所以存在能耗较高、鲁棒性相对较差等缺点。此外，大多数主动控制还需要人为调整，并未真正实现闭环的“主动控制”，难以达到精细化和理想化的效果。因此，对于主动射流控制技术，有以下2 点建议（图18）：

图18 针对振荡射流的发展建议Fig.18 Recommendations for the development of oscillating jets

1）寻求控制装置的经济性和稳定性，例如周裕团队利用侧向微射流进行的主动控制除了控制装置外，还需要额外的气源，这会导致装置的体积和成本增加。另外，这种控制装置的运行环境多为工业（高温）环境，在高温环境时附加电子器件是否适应也应当注意。

2）实现真正的精细化和自动化控制。首先在硬件方面需使用响应速度快的传感器和精度高的控制器。其次，在闭环控制的过程中，控制算法发挥着“大脑”的作用，因此推动自适应算法的发展是实现自动化的关键一环。只有不断提升闭环控制系统算法的稳定性、响应速度、鲁棒性、可靠性和可调节性，才能推进主动控制在工业生产中的实用性。

对于被动控制而言，大多数情况是通过满足装置结构的几何条件自然诱导射流振荡，但这种方式一般会带来较大的压力损失或能量消耗，导致振荡射流的穿透力不强或在下游远场区作用削弱。因此针对被动控制方式，有以下2 点建议（图18）：

1）对现有结构进行优化以减少压力损失，或者通过提高压力来保持对下游流场的有效控制。但结构的优化可能会带来作用效果的削弱，所以需对二者的关系进行建模，做出取舍策略。另外，为了更全面地比较性能，也应当对几种传统的被动控制方式在同样的实验条件下对压力损失、流动混合和换热等进行系统的比较研究。

2）应当尝试多学科交叉，开阔思路，争取在原理上做出创新。例如对于风中旗帜拍打运动的流-固耦合问题，在固体力学领域已有了大量研究，但拍打运动对流场的影响却缺乏关注。

3.2 结论

本文对多种激发振荡射流的方式做了一个较为全面的概述，希望有兴趣的学者在引入新的相关技术时能够对振荡射流的产生方式有一个较为全面的了解。在当前提倡学科交叉的大背景下，开阔思路争取在原理上进行创新，寻求性能更优的激励方式，给射流控制领域带新的活力，为服务国家重大战略做出贡献。最后，相关技术的研究和发展需要进一步开展学术界与工业界的合作,将振荡射流的最新成果产业化。同时需要拓展振荡射流技术的工业应用途径,有计划、有针对性地将振荡射流概念和技术推广到可以应用的地方。