环空流体吸入式自激振荡脉冲射流大涡模拟研究

圆形射流作用下吸气流动的数值模拟研究太原市热力公司于蕾沈阳建筑大学林豹摘要：本文运用计算流体力学软件（FLUENT）模拟了圆形射流作用下的吸气流动，并对模拟结果进行实验验证，数值计算结果和实验结果吻合的较好，证明FLUENT软件能够被用来有效地分析射流作用下吸气流动的特性，其结果可供进一步研究参考。

关键词：圆形射流吸气流动数值模拟0．引言专家们指出：控制烟尘、毒气的扩散，关键是控制流场状态的合理性，只有如此，才能提高集烟尘率和除烟尘率。

利用流场规律使其广泛服务于人们日常生活和工作的各个领域，是我们研究流场的目的所在。

流场[1]作用及应用极为广泛，较为典型的是其在控制工业有害物中的应用，就是在局部地点或整个工作空间把不符合卫生标准的污浊空气排至工作空间外，把新鲜空气或经过净化符合卫生标准的空气送入工作空间内。

防止工业有害物污染室内空气最有效的方法是局部排风，关键设备是局部排风罩，其技术性能对局部排风系统的经济效益有很大影响。

若排风罩性能好，就可用较少的排风量达到良好的排风效果，使排风设备的容量和体积减小，相应的投资、运行能耗和费用也降低。

射流作用下的吸气流动，是利用射流的特性，但不是吸气与射流两种气流的复合，而主要是利用射流来限制吸气气流的流动区域，同时射流本身也有卷吸作用，使得该气流达到单吸式气流相同控制污染效果时，风量比后者少的相当多，而且该气流中用于捕集有害物的气流仍具有吸气气流的特性，即不受气流中障碍物的影响。

CFD（计算流体力学）方法是一种近几年普遍运用的研究方法，通过该方法可得到研究空间详细的数据资料，与实验测试相比较，数值模拟具有成本低、速度快、资料完备等特点。

在大多数的实际应用中，由于无需搭建实验台布置实验设备，模拟计算费用要比相应的实验研究费用低；数值计算可以在较短的时间内研究数百种不同的工况，并从中得出最佳工况，相应的实验研究所花费的时间比数值模拟要长；对一个问题进行计算机求解可以得到详尽而又完备的资料，它能够提供在整个计算区域内所有的有关变量（如速度、温度、浓度等）的值。

大涡模拟滤波网格尺度研究及其应用一、本文概述本文旨在深入探讨大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）中的滤波网格尺度问题，以及其在流体动力学领域的应用。

大涡模拟作为一种重要的湍流模拟方法，能够捕捉到湍流中的大尺度结构，并通过模型描述小尺度运动对大尺度的影响。

滤波网格尺度作为大涡模拟中的关键参数，其选择直接影响到模拟的精度和效率。

因此，研究滤波网格尺度对于提高大涡模拟的准确性和适用性具有重要意义。

本文首先将对大涡模拟的基本理论和方法进行概述，介绍滤波网格尺度在大涡模拟中的作用和影响。

然后，通过对不同滤波网格尺度下的模拟结果进行比较分析，探讨滤波网格尺度对模拟精度和计算效率的影响机制。

在此基础上，本文将提出一种优化的滤波网格尺度选择方法，以提高大涡模拟的准确性和效率。

本文还将探讨大涡模拟在流体动力学领域的应用，特别是在复杂流动和工程实际问题中的应用。

通过具体案例的分析和讨论，展示大涡模拟在解决实际问题中的潜力和优势。

本文将全面系统地研究大涡模拟中的滤波网格尺度问题及其应用，为大涡模拟在流体动力学领域的应用提供理论支持和实践指导。

二、大涡模拟理论基础大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称LES）是一种介于直接数值模拟（DNS）和雷诺平均N-S方程（RANS）之间的湍流数值模拟方法。

它的主要思想是将湍流运动通过某种滤波函数分解为大尺度运动和小尺度运动两部分，大尺度运动通过直接求解滤波后的N-S方程得到，而小尺度运动对大尺度运动的影响则通过模型来模拟。

在LES中，滤波函数的选择至关重要。

常用的滤波函数包括盒式滤波、高斯滤波等。

滤波后的N-S方程会包含一个新的未知量，即亚格子应力张量。

为了封闭这个方程，需要引入亚格子尺度模型（Subgrid-Scale Model，简称SGS模型）。

SGS模型的作用是模拟小尺度湍流对大尺度湍流的影响，从而使方程封闭可解。

在大涡模拟中，网格尺度是一个关键参数。

自激振荡脉冲射流喷嘴的修正空化模型汪朝晖;陈思;邓晓刚;王在良【摘要】根据自激振荡脉冲射流喷嘴中的空化发生机理,一种考虑剪切力(包括雷诺剪切力和粘性剪切力)和由湍动能产生的压力脉动对空化影响的修正空化模型被提出来提高喷嘴内流场的模拟精度.修正空化模型通过用户自定义函数UDF挂入到Fluent中定义空化压力属性.采用该修正空化模型模拟计算所得到的不同入口压力和腔径条件下的喷嘴出口压力峰值与以往的实验结果吻合得很好,验证了该修正空化模型的正确性.进一步对剪切力和由湍动能产生的压力脉动对空化的影响进行了分析,并且研究了不同入口压力条件下这两个因素对空化发生的影响的强弱程度以及空化初生的能力.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2019(000)002【总页数】5页(P265-268,272)【关键词】自激振荡脉冲射流喷嘴;剪切力;湍动能;修正空化模型;UDF;空化初生【作者】汪朝晖;陈思;邓晓刚;王在良【作者单位】武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉 430081;武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉 430081;重庆科技学院机械与动力工程学院,重庆 401331;江苏科圣化工机械有限公司,江苏淮安 223002【正文语种】中文【中图分类】TH16;TK263.41 引言自激振荡脉冲射流喷嘴能够依靠其自身的特殊结构和特定的边界条件产生自激振荡脉冲效应，使连续入口射流变成高速的脉动出口射流，在没有外界提供附加能量就能提高其喷射性能，因此被认为是一种十分具有前景的射流装置。

由于这一特性，自激振荡脉冲射流喷嘴广泛应用于矿山、破碎、钻井等领域。

目前，已有大量学者采用实验和基于CFD的模拟手段对该喷嘴进行研究[1-4]。

相比于实验方法，基于CFD的模拟方法具有节省时间、人力、物力等优越性。

此外自激振荡效应产生的原因是腔室内部空化演变的结果[5]。

然而喷嘴腔室内空化的演变过程是一个十分复杂的一个过程，采用实验的方法很难精确地去描述腔室内的空化过程以及捕捉微小的细节。

自激振荡脉冲喷嘴空化效应及其射流形态的数值分析汪朝晖１㊀胡亚男１㊀饶长健１㊀邓晓刚２１．武汉科技大学机械自动化学院,武汉,４３００８１２．重庆科技学院机械与动力工程学院,重庆,４０１３３１摘要:基于自激振荡脉冲喷嘴空化效应和多相流模型,建立了自激振荡脉冲射流空化模型.依据自激振荡腔室结构及其几何参数建立了腔室轴对称物理模型,计算得到了振荡周期１００m s 内自激振荡脉冲射流的空化泡破碎㊁腔室内两相分布㊁湍动能分布和速度分布等结果.研究表明:在１．０２~２．３７m s时,空化泡半径减小,气泡开始径向运动形成泡面加速射流;在２．６９~４．６７m s 时,空化泡面压力达到极限破碎值时气泡开始破碎;在自激振荡周期前２５m s ,主射流与空气接触边界面形成较强湍动能,自激振荡腔室中心漩涡区逐渐变大,外流场连续射流被割断成多股状射流,射流在喷射轴线附近速度达到并稳定在３０~４０m /s ;在振荡周期的４０~９０m s ,腔室内中心空化气囊形成并开始阻挡主射流运动,喷嘴出口流道出现大面积空化区域,湍动能最大区域集中在下喷嘴出口下游;在振荡后期,随着主射流与空气相互作用及射流贯穿距离增加,主射流速度逐渐趋于稳定且扩散作用减弱.关键词:自激振荡脉冲喷嘴;空化效应;射流形态;空化泡;雾化中图分类号:T P ６９D O I :１０．３９６９/j．i s s n ．１００４ １３２X．２０１７．１３．００４N u m e r i c a l A n a l ys i s o fC a v i t a t i o nE f f e c t s o f S e l f Ｇe x c i t e dO s c i l l a t i o nP u l s eN o z z l e s a n d J e t F o r m s WA N GZ h a o h u i １㊀HU Y a n a n １㊀R A O C h a n g j i a n １㊀D E N G X i a o g a n g２１．S c h o o l o fM a c h i n e r y a n dA u t o m a t i o n ,W u h a nU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,W u h a n ,４３００８１２．C o l l e g e o fM e c h a n i c a l a n dP o w e rE n g i n e e r i n g ,C h o n g q i n g U n i v e r s i t y of S c i e n c e a n dT e c h n o l og y ,Ch o n g qi n g,４０１３３１A b s t r a c t :B a s e do nt h ec a v i t a t i o ne f f e c t so f t h es e l f Ｇe x c i t e do s c i l l a t i o n p u l s e dn o z z l e sa n d m u l t i Ｇph a s e f l o w m o d e l ,ac a v i t a t i o n m o d e l o f t h es e l f Ｇe x c i t e do s c i l l a t i o n p u l s e d j e t sw a se s t a b l i s h e d ．T h e a x i s y mm e t r i c p h y s i c a lm o d e l o f t h e c h a m b e rw a s b u i l t a c c o r d i n gt o t h e s e l f Ｇe x c i t e d o s c i l l a t i o n c h a m b e r s t r u c t u r e s a n d i t s g e o m e t r i c p a r a m e t e r s ．T h e b r e a k u p o f c a v i t a t i o n b u b b l e s ,t w o Ｇph a s e d i s t r i b u t i o n s i n t h e c h a m b e r s ,t u r b u l e n t k i n e t i c e n e r g y d i s t r i b u t i o n s a n dv e l o c i t y di s t r i b u t i o n s i n a no s c i l l a t i o n p e r i o d o f １００m sw e r e o b t a i n e d b y nu m e r i c a l c a l c u l a t i o n s ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t :i n １．０２Ｇ２．３７m s ,t h e r a d i i o f c a v i t a t i o nb u b b l e s d e c r e a s e r a p i d l y a n d t h e b u b b l e s b e g i n t o d o r a d i a lm o t i o n s t o f o r mt h e a c c e l e r a t i n gje t o n t h e b u b b l e s s u rf a c e ．I n ２．６９Ｇ４．６７m s ,t h e b u b b l e s s t a r t t o c r u s hw h e n t h e p r e s s u r e s o f c a v i t a t i o n b u b b l e s u r f a c e s r e a c h t h e l i m i t b r e a k i ng v a l u e ．I n th e b e gi n n i n g o f ２５m s ,t h e s t r o n g t u r b u l e n t k i n e t i c e n e r g yi s f o r m e d a t t h e c o n t a c t i n t e r f a c eb e t w e e nt h em a i n j e t a n da i r ,a n d t h e c e n t e rv o r t e xa r e a i n s e l f Ｇe x c i t e do s c i l l a t i o n c h a m b e r g r a d u a l l yg r o w s u p ．C o n t i n u o u s je t i n t h e o u tf l o wf i e l d i s c u t i n t o t h e m u l t i p l e j e t a n d t h e j e t v e l o c i t y r e a c h e s a s t a b l e v a l u e a b o u t ３０Ｇ４０m /s n e a r t h e a x i s o f i n je c t i o n ．I n ４０Ｇ９０m s ,t h e c e n t r a l c a v i t a t i o na i r b a g i nt h ec h a m b e rh a sb e e nf o r m e da n db e gi n s t ob l o c kt h e m o v e Ｇm e n t s o fm a i n j e t ,a n d t h e l a r g e c a v i t a t i o na r e aa p pe a r s i nt h en o z z l e so u t l e t c h a n n e l a n d t h em a x i Ｇm u mt u r b u l e n t k i n e t i c e n e r g yi s c o n c e n t r a t e d i n t h e d o w n s t r e a mo f t h e l o w e r n o z z l e e x i t s ．I n t h e l a t e r p e r i o do f o s c i l l a t i o n ,t h e v e l o c i t y o fm a i n je t t e n d s t ob e s t a b l e a n d t h e d if f u s i o n e f f e c t s a r ew e a k e n e d a s t h em a i n j e t i n t e r a c t sw i t h t h e a i r a n d t h e p e n e t r a t i o nd i s t a n c e s o f t h e je t i n c r e a s e ．K e y wo r d s :s e l f Ｇe x c i t e do s c i l l a t i o n p u l s e n o z z l e ;c a v i t a t i o n e f f e c t ;j e t f o r m ;c a v i t a t i o nb u b b l e ;a t Ｇo m i z a t i o n收稿日期:２０１６Ｇ０８Ｇ２５基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１４０５３５２,５１３７６２０４)０㊀引言空化是液流系统中由于局部压力低于临界值而诱发液体内部空泡的产生㊁发展和溃灭的过程,高速射流在进入狭窄的喷嘴内部时往往伴随着复杂的湍流运动和介质密度的变化,极易形成空化[１Ｇ２].研究表明:当空化泡破碎时,泡面微射流５３５１ 自激振荡脉冲喷嘴空化效应及其射流形态的数值分析汪朝晖㊀胡亚男㊀饶长健等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.瞬间可达到高速㊁高压和高温的状态.当喷嘴内部出现空化现象时,有效利用其空化特性可使流体雾化效果显著增强;但由于实验中无法清楚地观察空化射流形成及其喷雾形态,尤其是对空化射流的喷射流体结构和外部流场分布研究仍然存在盲区,因此利用数值计算手段研究空化效应及其射流形态具有重要意义.空化效应的形成机理极其复杂,空化泡的产生㊁溃灭以及射流不稳定性是影响空化射流形态的重要因素.S UH等[３]将喷油嘴简化成扩大的透明二维矩形空壳结构,研究喷孔在不同几何结构下空穴流动对喷雾的影响,以及空穴的发展过程,探究了空化泡对空化射流雾化的影响.A L EＧHO S S E I N等[４]和Q I N等[５]通过求解R a y l e i g hＧP l e s s e t方程模拟了空化射流中空化泡的生成㊁溃灭的变化过程,得出空化泡影响空化射流形成的结论.姚立明等[６]为研究空化喷嘴产生的空泡射流在不同深度环境下的影响因素,研究了不同环境下空泡的差异,并总结了空泡内气相体积分数和速度的变化规律.C H E N等[７]利用数值模拟手段,证实了空化射流对钢铁腐蚀的主要原因在于空化泡溃灭时产生的高强度冲击波和瞬间的高温.刘琦等[８]分析了喷孔内部气液两相流场的三维流态以及空化流动特性,发现随着喷孔直径增大,燃油高速区域扩大,空化效应增强.目前空化射流形态研究主要关注空化模型及其算法的改进.X I E等[９]建立了一种简化虚拟流体模型模拟空化射流中气泡的爆炸现象,而用另外等熵单流体空化模型描述和捕捉非定常的空化射流形态,在模拟空化射流冲击自由壁面中得到较好的计算结果.WA N G等[１０]结合拉格朗日计算方法和欧拉计算方法的优点,提出了混合计算模型,对变化剧烈的空化区域使用欧拉模型进行计算,而对于相对稳定的刚性壁面等位置通过拉格朗日网格进行计算,提高了空化模型模拟精度.曾宇杰等[１１]利用两相流的数值计算模拟血液的两相流动,得到血管壁面压力㊁壁面剪切应力㊁血液流速等血流动力学参数,弥补了单相流模型的不足.王维军等[１２]采用改进后的空化模型和湍流模型,对离心泵内部空化流动进行分析,提出了空化初生的判定准则,系统划定了离心泵的空化区域.上述计算表明:有效的空化模型及其改进算法有助于空化射流的数值模拟研究.根据H e l m h o l t z空腔模型而设计的自激振荡腔室能够产生较强的脉冲射流,其脉冲作用由封闭的振荡腔内上喷嘴出口处形成的自由剪切射流与下喷嘴碰撞壁反馈产生的压力扰动波相互作用形成[１３Ｇ１５].本文基于自激振荡脉冲喷嘴空化效应和多相流模型,建立自激振荡脉冲射流空化模型和腔室轴对称物理模型,计算得到自激振荡脉冲射流空化泡破碎㊁腔室内两相分布㊁湍动能分布和速度分布等结果.１㊀数学模型１．１㊀控制方程自激振荡脉冲射流空化效应产生机理如图１所示.高速射流中的离散涡在自激振荡腔室内的剪切层中被选择性放大,形成大尺度涡旋结构,进而形成沿腔室轴线对称分布的空化气囊.该气囊对喷嘴入口来流产生周期性的能量聚集与释放,使连续射流转变为脉冲射流,并使射流具有压力波动和一定的空化效应;同时,自激振荡腔室内存在着的大尺度漩涡以及脉冲压力振荡效应,将导致自激振荡腔室内漩涡空化和振荡空化的形成,从而加强喷嘴的空化效果.为研究空化效应下的自激振荡脉冲射流形态,对空化泡破碎㊁自激振荡脉冲腔室内场及外场进行数值分析.由于计算模型中空化泡破碎涉及空化泡㊁液体和空气两相作用,喷嘴内流场计算涉及空化现象,喷嘴外流场计算则涉及空气和射流的相互作用,故整个射流形态计算模型采用多相流模型同空化模型进行计算.图１㊀自激振荡脉冲空化效应F i g．１㊀T h e c a v i t a t i o n e f f e c t o f s e l fＧe x c i t e do s c i l l a t i o n p u l s e根据多相流计算模型,建立混合相的连续性方程和动量方程[１６]:∂ρ∂t＋Ñ(ρu)＝０(１)∂(ρu)∂t＋Ñ(ρu u)＝－Ñp＋Ñτ＋ʏδ(t)σk nδ(x－xᶄ)d S(２)式中,t为时间;u为速度;σ为表面张力系数;ρ为混合密度;k为界面曲率;p为压力;τ为黏性切应力;n为指向表面S的法向单位矢量;δ(x)为D i r a c函数.各相的体积分数满足６３５１中国机械工程第２８卷第１３期２０１７年７月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.(∂αi/∂t)＋Ñ(uαi)＝０㊀i＝l,g,v(３)αl＋αg＋αv＝１(４)ρ＝αlρl＋αgρg＋αvρv(５)μ＝αlμl＋αgμg＋αvμv(６)式中,αi为体积分数;αl为液相体积分数;αg为蒸汽相体积分数;αv为空气相体积分数;ρl为液相密度;ρg为蒸汽相密度;ρv为空气相密度;μ为混合相黏度;μl为液相黏度;μg为蒸汽相黏度;μv为空气相黏度.式(２)中的界面曲率k可根据所求解的液相体积分数αl估算,即k＝Ñ(Ñαl/|Ñαl|)(７)１．２㊀空化模型射流空化形成涉及相变传质过程,质量传输是建立空化模型所要考虑的关键问题.空化传质模型建立并不是独立的,空化模型将作为平衡方程的一部分用来描述蒸汽的产生与破碎.当流场内部压力低于饱和蒸汽压时产生蒸汽,平衡方程的其他部分解决流动和射流问题.本文采用Z w a r tＧG e r b e rＧB e l a m r i空化传质模型[１７],模型假设液体中所有的气泡具有相同的初始尺寸,采用单位体积内气泡的数目计算传质效率:R＝n(４πR２B p v d R B d t)(８)式中,n为单位体积内气泡数目;R B为气泡直径;p v为气泡内压力.忽略R a y l e i g hＧP l e s s e t方程中的二阶导数项㊁黏性项以及表面张力项可得d R B d t＝２(p B－p f)３ρl(９)式中,p B为气泡内的压力;p f为非凝结气体的部分压力.将式(９)代入式(８),可得由体积分数表示的传质效率R＝３αρvR B２(p B－p f)３ρl(１０)最终气泡蒸发与凝结的传质效率表达形式为R e＝C e３αn u c(１－αv)R Bρv ２(p v－p f)３ρl(１１)R c＝C c３αv R Bρv２(p v－p f)３ρl(１２)式中,αn u c为气核体积分数;C e为蒸发常数相;C c为凝结常数相.２㊀物理模型２．１㊀腔室结构及计算参数基于自激振荡脉冲效应的喷嘴腔室几何模型如图２所示.喷嘴结构及其主要计算参数为[１,１８]:上喷嘴入口流道长度l１＝３０mm;下喷嘴出口流道长度l２＝３０mm;上喷嘴入口流道直径d１＝８mm;下喷嘴出口流道直径d２＝１５mm;自激振荡脉冲腔室直径D＝１００mm;自激振荡脉冲腔室长度L＝６０mm;下喷嘴碰撞壁夹角α＝１２０ʎ.图２㊀自激振荡脉冲腔室结构F i g．２㊀T h e c h a m b e r s t r u c t u r e o f s e l fＧo s c i l l a t i n gp u l s e由于需要考虑外流场空气对射流的影响,故喷嘴外部构造的轴对称计算域几何模型如图３所示.计算过程中发现:当外流场设置的空气域模型是喷嘴腔室直径的３倍之后,继续增大计算区域,计算的结果基本不发生变化;同时,计算区域增大,计算量也会增大,也没有实际计算意义.由此设置外流场计算域几何模型的空气域尺寸为喷嘴腔室直径的３倍.图３㊀外流场计算域几何模型F i g．３㊀T h e g e o m e t r y m o d e l a n d c o m p u t a t i o n a ld o m a i no f t he o u tf l o wf i e l d２．２㊀有限元求解本文采用G AM B I T软件对计算区域进行网格划分,并使用F L U E N T软件对网格计算域进行求解.由于自激振荡腔室结构尺寸与外部空气域相差悬殊,故本文在划分网格时首先采用线网格划分,然后再进行面网格划分,这样可以保证自激振荡腔室内部以及靠近喷嘴出口处的网格密度较大,而远离该区域的网格密度较小.网格划分及计算区域边界条件如图４所示,其中入口１为液体压力入口,参数设置为１１０１３２５P a;入口２为空气压力入口,参数设置为１０１３２５P a;压力出口参数设置为１０１３２５P a.在计算过程中,对流体流动状态及相关计算模７３５１自激振荡脉冲喷嘴空化效应及其射流形态的数值分析 汪朝晖㊀胡亚男㊀饶长健等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.图４㊀网格划分及计算区域边界条件F i g．４㊀T h e g i r dd i v i s i o na n d t h e b o u n d a r y c o n d i t i o no f c o m p u t a t i o n a l d o m a i n型进行如下设置:液体介质选用常温状态下的水,密度为１０００k g/m３,动力黏度为１０－３N s/m;气体介质选用常温状态下的空气,密度为１．２２５k g/m３,动力黏度为１．７９ˑ１０－５N s/m;液体饱和蒸汽压设置为３５４０P a;流体流动状态采用层流模型;计算过程采用瞬态模型;湍流模型选用可实现的kＧε模型.３㊀计算结果与分析３．１㊀空化泡破碎由于自激振荡脉冲喷嘴出口空化区域内的压力较外界大气压力小,因此空化泡由喷嘴出口进入大气环境时,空化泡外壁压力增大,在空化泡内部,相同温度条件下的饱和蒸汽压力和气体组分压力保持恒定.随着自激振荡脉冲射流空化泡半径的不断增大,对于某一确定初始半径的空化泡,存在着最大空化泡极限破碎半径,当空化泡半径达到极限值时空化泡破碎.单个空化泡在自由液面附近的破碎过程如图５所示.可以看出,在１．０２~２．３７m s时,空化泡开始溃灭,其半径开始急速减小,空化气囊开始径向运动,并且液体被带动向内挤压,形成一个泡面的加速射流.在２．６９~４．６７m s时,空化气囊加速径向运动,挤压射流的压力开始急速增大,当挤压压力达到空化泡极限破碎值时,空化泡从泡面最上端开始破碎,并且液体从空化泡面喷射.由于空化泡溃灭伴随着能量释放,因此在空化泡破碎过程中液体的湍动能增大.空化泡溃灭对自由液面附近的液体产生了破碎效果,因而当空化射流中出现大面积的空化泡溃灭时,喷射射流将会出现更加明显的雾化效果.３．２㊀两相分布根据伯努利方程计算得到喷嘴入口射流流速为４４．７６m/s,据此计算得到的自激振荡脉冲腔室频率大约为１１H z,因此本文的自激振荡脉冲腔室振荡周期为１００m s.下面分析在此一个振荡(a)０．１m s㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b)１．０２m s(c)２．３７m s㊀㊀㊀㊀㊀㊀(d)２．６９m s(e)３．４９m s㊀㊀㊀㊀㊀㊀(f)４．６７m s图５㊀单个空化泡在自由液面附近的破碎过程F i g．５㊀T h e b r o k e n p r o c e s s o f t h e s i n g l e c a v i t a t i o nb u b b l e n e a r t h e f r e e l i q u i d s u r f ac e周期内不同时刻的两相分布.振荡周期内不同时刻的液态水相㊁蒸汽相和空气相分布如图６所示.(a)１m s㊀(b)５m s㊀(c)７．５m s㊀(d)１０m s㊀(e)２５m s(f)４０m s㊀㊀(g)５５m s㊀(h)９０m s㊀(i)１００m s㊀图６㊀振荡周期内不同时刻的两相分布F i g．６㊀T h e t w oＧp h a s e d i s t r i b u t i o na t t h e d i f f e r e n tm o m e n t s i n t h e o s c i l l a t i o n p e r i o d由图６可看出,１~１０m s为自激振荡腔室内空化气囊的形成和生长过程.空化最初出现在腔室内的分离区,伴随着射流逐渐向下喷嘴运动,分离区内的空化泡也随之运动并不断生长.当空化泡到达下喷嘴碰撞壁后,受阻的空化泡开始沿碰撞壁壁面反向运动.在２５m s时,空化泡反向运动停止,在该位置空化泡持续生长,此时的射流未被阻断,液相体积分数在出流管道内达到最大.到４０m s时,空化气囊与主射流相互作用,这种作用在腔室内表现为气液相的混合,在腔室外表现为射流形态的改变.在４０~１００m s阶段可以看到,外流场的主射流逐渐变窄,两侧的液相体积分数开始减小并逐渐趋近于０.主射流逐渐被截断,空化泡与下喷嘴碰撞壁碰撞后开始反方向运８３５１中国机械工程第２８卷第１３期２０１７年７月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.动直至腔室固定位置后停止运动,空化泡达到体积最大值.此时,主射流被中心空化气囊所阻挡,形成了射流间断,此过程持续至空化射流振荡周期结束.此阶段,出流管道内的液相体积分数变化最为复杂,它既有空气的卷吸效应,又有空化气囊在管道内的破碎.可以看出:腔室内空化气囊对射流形态产生的影响主要表现在喷雾形态的变化,主射流液柱与空气交界面出现不规则锯齿状,造成连续射流被割断成多股状射流,加剧了空化射流的扰动和不稳定性,进而促进射流雾化的产生.３．３㊀湍动能分布一个振荡周期内不同时刻的湍动能分布如图７所示.在５m s 时,腔室内部空化气囊在靠近下喷嘴位置,由于空化气囊与下喷嘴碰撞壁发生了相互作用,因而在该区域出现较强的湍动能,主射流刚进入外流场时引起了空气场扰动,所以即使在射流未穿透区域也依然可以看到比较强烈的湍(a )５m s ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b )１０m s(c )２５m s ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(d )４０m s(e )６０m s ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(f )９０m s图７㊀振荡周期内不同时刻的湍动能分布F i g ．７㊀T h e t u r b u l e n t k i n e t i c e n e r g y di s t r i b u t i o na t t h e d i f f e r e n t t i m e i n t h e o s c i l l a t i o n p e r i o d动能;在１０m s 时,同样可以看到,在腔室内由于空化气囊逐渐向两侧壁面移动并在边角区域内与壁面相互作用,使得该区域内的湍动能有所增强,在外流场中,主射流与空气相互作用,在其接触的边界面形成较强湍动能,这说明该区域内空气与液柱发生了较为强烈的动量交换;在２５m s 时,主射流已经完全贯穿外流场,完整的射流形态形成,此时,在主射流与空气交界面上的湍动能继续增强,更有利于较好射流雾化效果的形成;在４０m s 时,中心空化气囊已经完全形成并开始阻挡主射流运动,由于气囊未与腔室壁面发生相互作用,所以腔室内空化区域的湍动能较弱,同时由于主射流被阻挡,喷嘴靠近出口处的湍动能较强,而外流场湍动能开始逐渐减弱,即说明在该时刻雾化效果较强的区域集中在喷嘴出口附近;在９０m s 时,腔室内空化气囊很大程度上阻挡了主射流运动,同时自激振荡喷嘴出口流道内也开始出现了大面积的空化区域,湍动能最强区域集中在下喷嘴出口下游,此时相应的雾化效果也在该区域内最强.３．４㊀速度分布一个振荡周期内不同时刻的内流场速度分布如图８所示.１m s 时,在自激振荡腔室的分离区形成涡结构,空化最先出现在漩涡中心位置,这是由于漩涡中心出现了低压区,一方面低压区内压力达到饱和蒸汽压时部分液体汽化,另一方面低压区的出现使得溶解于水体中的部分气体释放.在１０~５５m s 时,腔室中心漩涡区开始逐渐变大,直至将近布满整个半腔室;同时,由于腔室壁面进行了重构,故腔室四周边角区域不再出现次生涡.(a )１m s ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b )１０ms(c )２５m s ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(d )５５m s图８㊀振荡周期内不同时刻的内流场速度分布F i g ．８㊀T h e v e l o c i t y di s t r i b u t i o no f t h e i n t e r n a l f l o wf i e l d a t t h e d i f f e r e n tm o m e n t s i n t h e o s c i l l a t i o n p e r i o d当射流由喷嘴内部进入空气时,由于高压水射流与外界大气相对速度较大,故两者的速度大小和方向不同造成了气液相的相互作用.一个振荡周期内不同时刻的外流场速度分布如图９所示.在１０m s 时,射流刚进入大气环境,该阶段内的气液相相互作用最为明显.高速运动的液柱带动处于静止状态的气体,气体流线开始偏向主射流区,这一阶段内的液柱形状也因受到气体的作用而不稳定.在射流运动过程中,外界气体运动９３５１ 自激振荡脉冲喷嘴空化效应及其射流形态的数值分析汪朝晖㊀胡亚男㊀饶长健等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.速度开始趋于稳定.在５５m s 时,主射流区外的气体流线开始逐渐与主射流贴合.达到９０m s时,主射流与空气的相互作用基本达到稳定状态.(a )１０ms(b )５５ms(c )９０m s图９㊀振荡周期内不同时刻的外流场速度分布F i g ．９㊀T h e v e l o c i t y d i s t r i b u t i o no f t h e o u t f l o wf i e l d a t t h e d i f f e r e n tm o m e n t s i n t h e o s c i l l a t i o n p e r i o d一个振荡周期内不同时刻的外流场出口速度分布如图１０所示.横轴表示外流场出口边界与轴线的横向距离,纵轴表示边界面上某点的速度大小.在５m s 时,靠近轴线的外流场流体速度最高值达到了近９０m /s ,但是该速度并非射流的喷射速度,而是射流在没有达到稳定状态前由主射流而引起的空气湍动能增强的结果.伴随着主射流与空气相互作用逐渐稳定以及射流贯穿距离增加,主射流速度逐渐稳定.１０m s 为过渡时刻.随后射流在喷射轴线附近的速度稳定在３０~４０m /s.在４０m s 后,距轴线约１８０mm 处,射流速度开始下降并最终趋于０,这说明在一个振荡周期末射流的速度扩散作用减弱,主射流角度减小.图１０㊀振荡周期内不同时刻的外流场出口速度曲线F i g ．１０㊀T h e o u t l e t v e l o c i t y cu r v e o f t h e o u t f l o wf i e l d a t t h e d i f f e r e n t t i m e s i n t h e o s c i l l a t i o n p e r i o d４㊀结论(１)随着自激振荡脉冲射流空化泡溃灭,其半径急速减小,空化气囊开始径向运动,形成泡面加速射流.当挤压射流压力急速增大并达到空化泡极限破碎值时,空化泡从泡面最上端开始破碎.当空化射流中出现大面积的空化泡溃灭时,射流将会出现明显的雾化效果.(２)空化最初出现在自激振荡腔室的分离区,伴随着射流逐渐向下喷嘴运动,分离区内的空化泡也随之运动并不断生长.当外流场的主射流逐渐变窄时,主射流被截断,空化泡达到体积最大值,使连续射流被割断成多股状射流,加剧了空化射流的扰动和不稳定性.(３)空化气囊与下喷嘴碰撞壁发生相互作用时,出现较强湍动能.当主射流完全贯穿外流场时,主射流与空气交界面上的湍动能继续增强;在射流振荡周期末,腔室内空化气囊阻挡了主射流运动,且在喷嘴出口流道出现大面积的空化区域,湍动能最大区域集中在下喷嘴出口下游.(４)射流振荡初期气液相相互作用明显,伴随着主射流与空气相互作用逐渐稳定以及射流贯穿距离增加,主射流速度逐渐趋于稳定.在振荡周期末射流的速度扩散作用减弱,主射流角度减小.参考文献[１]㊀汪朝晖,胡亚男,廖振方,等．基于自激振荡脉冲效应的雾化喷嘴出口流道空化特性研究[J ]．机械工程学报,２０１６,５２(１４):２０４Ｇ２１２．WA N GZ h a o h u i ,HU Y a n a n ,L I A O Z h e n f a n g,e t a l ．C a v i t a t i o n C h a r a c t e r i s t i c S t u d y o n t h e O u t l e t C h a n n e l o fA u t o m i z a t i o n N o z z l eB a s e do nt h eS e l f Ｇe x c i t e dO s c i l l a t i n g P u l s eEf f e c t s [J ]．J o u r n a l o fM e Ｇc h a n i c a l E ng i n e e r i n g ,２０１６,５２(１４):２０４Ｇ２１２．[２]㊀MA R ,S L A B O C H PE ,MO R R I SSC ．F l u i d M e Ｇc h a n i c so ft h e F l o w Ｇe x c i t ed He l m h o l t z R e s o n a t o r０４５１ 中国机械工程第２８卷第１３期２０１７年７月上半月Copyright©博看网 . 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e),２００５,３９(９):１４５０Ｇ１４５４．(编辑㊀袁兴玲)作者简介:汪朝晖,男,１９８１年生.武汉科技大学机械自动化学院教授㊁博士研究生导师.主要研究方向为计算流体动力学及其装备设计理论与方法.EＧm a i l:z h w a n g＠w u s t．e d u．c n.胡亚男,男,１９９１年生.武汉科技大学机械自动化学院硕士研究生.饶长健,男,１９９３年生.武汉科技大学机械自动化学院硕士研究生.邓晓刚,男,１９７５年生.重庆科技学院机械与动力工程学院教授.１４５１自激振荡脉冲喷嘴空化效应及其射流形态的数值分析 汪朝晖㊀胡亚男㊀饶长健等Copyright©博看网 . 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冲击射流流动换热超大涡模拟研究简介冲击射流流动换热是工程领域中一个重要的研究课题，涉及流体力学、热传导等多个学科领域。

本文将通过超大涡模拟方法，对冲击射流流动换热进行深入的研究和探讨。

超大涡模拟介绍超大涡模拟是一种数值模拟方法，用于模拟湍流中的大尺度涡结构。

它采用了细网格模拟和粗网格模拟相结合的方法，能够在较少的计算资源下模拟湍流的运动规律。

在冲击射流流动换热研究中，采用超大涡模拟方法可以更准确地模拟和预测流动特性，为优化传热效果提供指导。

冲击射流流动换热问题冲击射流流动换热是指在流体中产生冲击波的情况下进行传热过程。

这种流动换热方式广泛应用于喷雾冷却、火箭发动机喷气冷却等领域。

冲击射流通过冲击波与周围流体产生瞬间高温和高压区域，从而实现快速传热。

研究冲击射流流动换热问题可以为相关工程设计和优化提供理论和实验基础。

冲击射流流动换热机理冲击射流流动换热机理包括冲击波形成、冲击波与周围流体相互作用以及热传导等过程。

当射流冲击波形成后，会在射流和周围流体之间形成较大的温度梯度，导致热传导现象发生。

传热过程中的湍流效应也对换热效率起到重要的作用。

传统模拟方法的局限性传统的数值模拟方法在模拟冲击射流流动换热时存在一定的局限性。

由于冲击射流中存在大范围的湍流结构，传统模拟方法需要非常细小的网格才能准确模拟湍流动态，导致计算量巨大，计算成本高。

而采用超大涡模拟方法可以在粗网格条件下，保留大尺度湍流结构的信息，大大降低了计算成本。

超大涡模拟在冲击射流流动换热中的应用超大涡模拟在冲击射流流动换热中的应用主要体现在以下几个方面：湍流结构的模拟采用超大涡模拟方法可以准确模拟冲击射流中的湍流结构。

通过选择合适的数值算法和参数设置，能够捕捉到射流中的大尺度涡结构，提高模拟结果的准确性。

热传导过程的模拟超大涡模拟不仅可以模拟湍流结构，还可以模拟热传导过程。

通过在模拟中考虑流体的热传导特性，可以更真实地模拟冲击射流中的传热过程，为工程应用提供准确的传热效果预测。

科技成果——供气式自激振荡脉冲射流曝气技术所属行业环保、装备制造适用范围化工、造纸等行业高浓度工业废水和城市生活污水处理成果简介1、技术原理“供气式自激振荡脉冲射流曝气器”属于一种新型的污水曝气器，具有充氧效率高、节能、免维护等优点。

射流曝气器是利用射流紊动扩散作用来传递能量和质量的流体机械和混合反应设备，一般由喷嘴、吸气室、喉管及混合管、扩散管等部件构成。

本技术采用自激振荡腔取代传统射流曝气器的混合管，依靠自激振荡作用，气-液混合液进行反复剧烈的剪切，使吸入的空气和需氧水体在自激振荡腔室内获得充分搅拌和混合，加快了曝气时气-液接触面上液膜的更新速度，形成微米级微小气泡，进而增加供养水体与空气的接触面积，其表面积很大，使空气中的氧更易快速溶解于水中；混合液以脉冲方式通过特殊扩散管释放，从扩散管喷出的需氧水体具有将强的脉冲效应，提高了流体的出口冲击力，进而提高了射流曝气器搅拌效果，增大了服务面积。

2、关键技术与装备（1）CAD/CAE技术：进行结构优化设计；（2）自激振荡脉冲射流技术：依靠自激振荡作用形成剧烈的剪切场，对流经自激振荡腔中的气液混合液进行反复剧烈的剪切，减小产生气泡大小，增加需氧水体与空气之间的接触面积，提高曝气器的充氧性能，具有更高的汽水比，实现水泵和风机节能。

主要技术指标（1）工作水深可达15m；（2）系统汽水比≥5：1；（3）单个射流曝气器的服务直径9m；（4）射流曝气器氧转移率达到30-52%，水深不受限制；（5）系统成本较常规系统节省30%以上：循环水泵的数量减少为传统射流曝气方式的50%，风机的用量为传统曝气方式的70%；（6）最大通过颗粒：直径15mm。

经处理后，主要污染物去除效率：COD为90%以上；BOD和SS 去除率可达95%左右。

技术水平1、该技术获得资助（1）该技术获2013国家科技型中小企业技术创新基金无偿资助项目，项目编号：13C26212101015；（2）该技术列入2013辽宁省科技型中小企业技术创新专项资金计划；（3）该技术列入2013科技计划立项和资助。

脉冲防暴水炮管内湍流的大涡模拟及实验验证战仁军;汪送【摘要】作为以刺激剂驱散为主要防暴手段的脉冲防暴水炮,其发射管内的气液湍流运动对于脉冲防暴水炮管外射流及其雾化影响较大,必须进行深入的研究分析.采用二维大涡模拟模型对管内湍流进行了数值模拟,玻璃管内气体撞击水柱的高速摄影实验用于模拟验证.验证表明,大涡模拟较标准k-ε模型能更为准确地描述管内的气液参混,用其进行管内湍流模拟是可行的.为脉冲防暴水炮的数值研究找到了可靠手段,所得结论为水炮的优化设计及变初始边界条件的数值模拟打下了一定基础.%Pulsed anti-riots water cannon is used to deter the people with irritant,which gas-liquid turbulence flow influence significantly in outside water-jet and its atomization,so it should be studied in depth.A 2-D Large Eddy Simulation (LES)model is applied to simulate the turbulence pipe flow,the highspeed photography experiment of gas impinge water column in glass pipe was used to validate the simulation result, which result show:LES model can describe more accurately the process of gas-liquid mixing in pipe than standard k-ε model, therefore it i s feasible to simulate the turbulence flow inside pipe.In one word a reliable method is found for numerical study of the pulsed antiriot water cannon in it,which result lay a foundation for optimal designing water cannon and numerical simulation with alterable initializing boundary condition.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2011(000)008【总页数】3页(P106-108)【关键词】脉冲防暴水炮;湍流流动;LES;标准k-ε模型;实验验证【作者】战仁军;汪送【作者单位】武警工程学院,西安710086;武警工程学院,西安710086;空军工程大学工程学院,西安710038【正文语种】中文【中图分类】TH161 引言警用脉冲防暴水炮是一种以刺激剂驱散为主要防暴手段的大型非致命装备，其发射管内气液相互作用过程对于最大有效射程、刺激剂粒径大小及分布影响较大[1]。