CN105868488A - 一种自激振荡脉冲喷嘴的腔室壁面设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种自激振荡脉冲喷嘴的腔室壁面设计方法，本方法基于对自激振荡脉冲腔室内空化汽囊的能量聚放特性的研究提出了自激振荡脉冲腔室内能量变化过程的物理模型，并由此得到针对喷嘴壁面结构的设计准则，以此准则为依据结合CFD软件分析了对自激振荡喷嘴射流出口能量影响较大的设计区域，该设计区域的确定包括找到关键参数h1、h2以及确定喷嘴腔室壁面形状曲线R1、R2。根据上述发明方法，最终使自激振荡喷嘴获得较大的出口射流能量。本发明所涉及方法可有效提高自激振荡喷嘴射流出口速度，进而提高喷嘴打击力和雾化能力。

Description

一种自激振荡脉冲喷嘴的腔室壁面设计方法

技术领域

本发明涉及一种喷嘴壁面设计方法，特别涉及一种利用自激振荡脉冲腔室内空化汽囊能量聚放特性的喷嘴壁面设计方法。

技术背景

脉冲射流技术具有高度聚、冲蚀性能、强清洗效率高等突出特点。近些年来其应用领域不断拓宽被广泛应用于清洗、消防、水炮、钻探破岩、石油钻井等方面。产生脉冲射流通常有3种方式:机械截断、激光汽化和自激振荡,其中自激振荡脉冲射流装置以其结构简单、体积小、无动密封、无外加驱动装置和活动部件以及节省能量等独特优点正日益得到广泛重视。

对自激振荡喷嘴而言，当自激振荡上喷嘴(1)中的高速射流中的不稳定扰动波穿过腔内剪切层时，通过不稳定剪切层的选择放大作用，形成大尺度涡环结构，剪切流动中的涡环与下游碰撞壁碰撞产生压力扰动波并向上游反射，在上游剪切层分离处诱发新的扰动，当新扰动与原扰动频率匹配并具有合适的相位关系时将会发生谐振，导致腔内流体阻抗发生周期性变化，完成对射流的“完全阻断”、“部分阻断”及“不阻断”的调制过程，形成脉冲射流由自激振荡下喷嘴(3)喷出，由于兼具脉冲效果和空化效果，因此使得自激振荡喷嘴脉冲射流比普通喷嘴的连续射流获得更高的瞬时压力。

目前针对自激振荡喷嘴的设计主要集中在对自激振荡脉冲腔室结构无量纲参数以及喷嘴喷射工况的研究，而对于自激振荡喷嘴壁面设计的研究较少。由于自激振荡脉冲射流的射流能量受其腔室内部空化汽囊影响较大，而喷嘴壁面结构对空化汽囊的形成和发展有重要影响，因此自激振荡喷嘴壁面设计方法对于设计合理的自激振荡喷嘴具有重要意义。

专利号为“ZL201210347306.5”名为“自激振荡脉冲液气射流泵”的中国发明专利公开了一种自激振荡脉冲液气射流泵，它由上喷嘴、自激振荡腔、碰撞体、下喷嘴、吸入室、喉管、扩散管组成，它利用了射流的自激振荡脉冲效应，能够提高射流泵卷吸能力。本发明应用了该发明的部分原理。

发明内容

本发明的目的是在自激振荡喷嘴主要的参数：d₁、d₂、D、L、α一定的情况下，提出一种提高自激振荡射流出口打击力和雾化能力的壁面设计方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自激振荡雾化喷嘴壁面设计方法，其特点是：

将自激振荡脉冲腔室内的空化汽囊等效为弹性系数为K的弹簧，在自激振荡的一个周期内，空化汽囊储能为E_K；将射流在自激振荡脉冲腔室内一个周期损失的能量等效为阻尼系数为C的阻尼器消耗的能量E_C；射流在自激振荡喷嘴出口处能量为：E_P＝E_K+E_C,因此为了使得射流到较大的出口能量提高射流打击力和雾化能力，在对自激振荡喷嘴壁面进行设计时，提出如下设计准则：第一，保证中心空化汽囊区4足够大以在一个振荡周期内积聚更多能量；第二，保证射流在自激振荡脉冲腔室内损失的能量尽可能少。

上述设计准则的核心在于通过CFD软件找到影响中心空化汽囊4能量的相关区域并且将该区域作为设计区域2，找到设计参数h₁、h₂，并确定设计区域2内的壁面曲线R₁、R₂形式。

所述的设计参数h₁的位置约在上半腔室的2/3处，h₂的位置约在上半腔的1/2处。所述设计区域2内的壁面曲线形式采用两点三次的Bezier曲线，分别确定壁面控制点P₁～P₆的位置坐标，其中控制点P₁、P₂、P₃用于确定R₁段Bezier曲线，P₄、P₅、P₆用于确定R₂段Bezier曲线。

上述设计方法所设计自激振荡喷嘴相比于现有自激振荡喷嘴的有益效果表现在：

有效提高了射流出口能量，提高喷嘴的打击力和雾化能力；

通过去除次生涡所在区域，节约了喷嘴制作材料的消耗。

附图说明

图1为本发明方法所建立物理模型简图；图2为本发明结构示意图；图3为本发明设计过程的原理图；图4位两点三次Bezier曲线控制点的位置分布图。

图中1：自激振荡腔上喷嘴；2：自激振荡下喷嘴；3：设计区域壁面曲线形式；4：自激振荡脉冲腔室中心空化汽囊区；5：自激振荡脉冲腔室次生涡区域。

具体实施方式

下面提供本发明方法具体实施方案：

如图2所示，自激振荡喷嘴结构参数包括：自激振荡上喷嘴1直径d₁，自激振荡脉冲腔室直径D，自激振荡下喷嘴直径d₂，自激振荡脉冲腔室长度L，自激振荡脉冲腔室碰撞角α；自激振荡壁面结构设计参数包括：设计区域位置参数h₁、h₂，设计区域曲线形式R₁、R₂。

传统自激振荡喷嘴结构设计参数包括：d₁、D、d₂、L、α。根据经验，有这些参数组成的无量纲参数最优选取范围为：d₂/d₁≈1.5～2.3；L/D≈0.4～0.7；D/d₂≈6～9；α＝120°；本发明方法将在此结构参数范围内对自激振荡喷嘴壁面进行设计。

本发明方法包括：

根据自激振荡脉冲腔室内空化能量汽囊聚放特点建立如图1所示物理模型：该模型假设挡板所受压力来自于自激振荡脉冲腔室射流入口的射流冲击，在该压力作用下挡板单位面积所承受压强为P，系统产生位移为x(t)；挡板被等效 为自激振荡脉冲腔室内汽囊壁，且汽囊面积周期性变化，因此假设挡板面积为A(t)；将汽囊等效为弹性系数为K的弹簧；射流在自激振荡脉冲腔室内发生碰撞造成的能量损失与阻尼系数为C的阻尼器相关。

根据物理模型中弹簧-阻尼系统的动力学方程，建立方程：

PA(t)＝kx+Cx

对上式两边积分得：

令E_P等效为射流冲击对空化汽囊所做有效功，令从物理意义上看该函数值与其所有自变量成正比；令Kx²/2＝E_K—在一个振荡周期内空化汽囊对射流聚集效应所产生的能量；令—在一个振荡周期内射流在自激振荡脉冲腔室内运动过程的能量损失，其大小与C成正比。由此，射流在自激振荡脉冲腔室出口处所获得能量可描述为：

由此提出能够提高自激振荡喷嘴出口处射流能量的壁面设计准则：其一，保证中心的空化汽囊区足够大；其二，保证射流在振荡腔内损失的能量足够小。

按照本方法所提出的设计准则，利用CFD软件找到影响自激振荡脉冲腔室中心空化汽囊能量的设计区域。

按照本方法模拟结果，如图3所示自激振荡脉冲腔室次生涡区域5会产生4个次生涡抵消一部分自激振荡脉冲腔室中心空化汽囊4的能量，而直接消除次生涡有可能造成自激振荡脉冲腔室中心空化汽囊4的不充分发展。由于次生涡是由初始次生涡发展而来，因此本发明采取的方法是：

去除初始次生涡所在区域来防止自激振荡脉冲腔室次生涡区域5发展变大。

按照本方法模拟结果，最终确定壁面设计参数h₁和h₂。

按照本方法设计准则，需要在设计区域设计合理的壁面曲线从而减少射流能量损失。

本发明采用出口射流最高速度作为衡量壁面设计效果判断标准，设计中采用三点两次的Bezier曲线作为壁面过渡区域的形状，分别确定壁面控制点P1～P6的位置坐标，其中控制点P1、P2、P3用于确定R1段Bezier曲线，P4、P5、P6用于确定R2段Bezier曲线。利用Bezier曲线的性质可以保证壁面高阶光滑，且根据给定控制点的方式所确定的曲线形式可使壁面形状按照设计要求变化。

Claims (5)

1.一种自激振荡脉冲喷嘴的腔室壁面设计方法，其特征在于：提出针对喷嘴内自激振荡过程的能量变化过程得物理模型，具体过程包括：将自激振荡脉冲腔室内的空化汽囊等效为弹簧，在一个自激振荡周期内空化汽囊储能为E_K；将射流在一个振荡周期内的能量损失等效为阻尼系数为C的阻尼器所消耗的能量E_C；最终射流在喷嘴出口处的能量为：E_P＝E_K+E_C，由此确定提高射流出口能量的喷嘴内比结构设计准则：a.保证中心的空化汽囊区足够大；b.保证射流在振荡腔内损失的能量足够小。

2.如权利要求1所述的一种自激振荡脉冲喷嘴的腔室壁面设计方法，其特征在于：

(1)根据所述的设计准则，利用CFD软件对射流过程进行数值模拟，确定中心空化汽囊形成以及四周的次生涡的形成和发展区域，即：通过确定h1、h2找到设计区域(2)，通过去除次生涡所在区域消除次生涡对中心空化汽囊能量的抵消作用提高射流在喷嘴出口处的能量；

(2)根据所述的设计准则，应为确定好的设计区域(2)选择好的壁面曲线形式以保证较小的能量损失。

3.根据权利要求2所述的一种自激振荡脉冲喷嘴的腔室壁面设计方法，其特征在于：所述的出去次生涡的影响过程只需去除能够发展成为较大次生涡的初始次生涡即可实现在保证去除次生涡影响的前提下，不影响中心空化汽囊的发展。

4.根据权利要求2所述的一种自激振荡脉冲喷嘴的腔室壁面设计方法，其特征在于：确定设计区域(2)的关键参数：h1的位置约在上半腔室的2/3处，h2的位置约在上半腔的1/2处。

5.根据权利要求2所述的一种自激振荡脉冲喷嘴的腔室壁面设计方法，其特征在于：当R1、R2段壁面曲线形式采用圆弧结构时，能够在既实现去除次生涡的影响，同时又保证较小的射流能量损失。