自激振荡脉冲清洗射流研究及应用现状

专论尚综造清洗世界

CleaningWorld第29卷第1期2013年1月

文章编号：1671—8909(2013)1-0029—04

自激振荡脉冲清洗射流研究及应用现状

杨家林1，周利坤1，冯彦辉2

(1．武警工程大学，陕西西安7100862．武警黑龙江总队运输油料处，黑龙江哈尔滨150086)摘要：自激振荡脉冲射流的发展是一个理论研究和试验研究相结合的发展过程。首先概述了

国内外有关自激脉冲射流的理论研究现状和实验研究现状，而后主要介绍了它的应用现状，特别是在油罐清淤方面的应用，最后对下一步研究的方向和应用的领域作出了展望。

关键词：清洗；脉冲射流；自激振荡

中图分类号：THl37文献标识码：A

Researchandapplicationsituationoftheserf-excitedoscillationcleaningjet

YANGJialinl，ZHOULikunl，FENGYanhui2

(1．EngineeringUniversityofCAPF，Xi’an，Shaanxi710086，China；2．TheDepartmentfor

OilTransportationofHeilongjiangDivisionofCAPF，Ha’erbin，Heilongjiang150086，China)Abstract：ThedevelopmentoftheSerf—excitedoscillationpulsedjetistheprogressofatheoretical

researchandexperimentalresearch．Firstly，itsummarizesthedomesticandforeignrelatedself—ex-

citedpulsejettheoryresearchandexperimentalresearchpresentsituation，andthenmainlyintro—

ducesthepresentsituationoftheapplicationofit，especiallyinthetankdesihingapplications，and

finallypredictthenextstepfortheresearchdirectionand印plicationfield．

Keywords：cleaning；pulsejet；self—excitedoscillation

自激式脉冲射流是流体在合适的流体结构中产

生自激振荡，将射流的初始式反馈放大，使持续作用

能量转化为间断作用能量，在这一过程中流体能量

得到聚焦，然后间断性释放出来，形成瞬时能量比连

续射流量高几倍的脉冲射流[1-2]o它是利用流体动

力学、水力学、流体共振和液体弹性原理而发展起来

的一种新型高效脉冲射流。自激脉冲射流并不需要

激振源，无运动件的密封，而是依靠喷嘴的自身结构特性，形成的射流。

1国内外研究现状

自激振荡脉冲射流的发展是一个理论研究和试

验研究相结合的发展过程。由于振荡腔内部的流动

是液气两相湍流，对其理论分析还不透彻。因此，在自激振荡脉冲射流的研究过程中，理论研究是基础，

试验研究是主要手段。20世纪70年代以来，计算流

收稿日期：2012—10—18作者简介：杨家林(1986一)，男，四川乐山人，硕士研究生，主要研究

向军事装备学。30清洗世界第1期

体力学和计算机技术的发展，带动了振荡腔内部流

场数值模拟的发展，并逐步发展成为理论与试验并

行的新研究方法。

1．1理论研究现状

1．1．1国外研究现状

自激振荡脉冲射流最早由AFConn和VE

Johnson提出一J，Rockwell和Naudascher将流体诱发

自激振动的原因分为流体动力学激励、流体共振激

励和流体弹性激励。文献[4]指出，1958年Rock—

well和Kinsely通过对流场进行流体显形发现，有碰

撞壁时，在碰撞壁附近生成了有序旋涡，由于射流与

碰撞相互作用生成的旋涡到达碰撞壁时，产生了流

体阻抗的周期性变化，而无碰撞壁时，流场杂乱不规

则，说明了碰撞壁的反馈作用。MGeveci等[51运用

PIV技术得到自激振荡腔内的速度图像、涡旋图像、

流线图像和能产生振荡效果的水力参数，并得到瞬

时的流场情况。文献[6]指出，1983年Chahine研究

了亥母霍兹自振腔式脉冲水射流装置，当射流通过

亥母霍兹自振腔时，若射流脉动频率与腔体固有频

率一致，则产生共振，形成脉冲射流。

1．1．2国内研究现状

在国内，自激振荡脉冲射流装置的开发和应用

也取得了丰硕的成果，从20世纪80年代中期开始，

国内学者开始进行自激振荡脉冲射流的理论研究。

80年代末，提出了自激振荡脉冲射流喷嘴的结构雏

形。文献[7]指出，1986年，重庆大学的廖振方教授

根据边界层理论和涡旋理论，提出了利用流体的自

激振荡产生射流的理论。文献[8]对自激振荡喷嘴

外流场进行了实验研究，研究表明，能够保证气、液

两相在腔体内产生轴对称涡旋的腔体结构是产生激

振的先决条件，喷嘴结构参数的不同会影响自激振

荡喷嘴的雾化效果及喷雾场的速度分布。曲延鹏

等【91对自激脉冲发生的物理过程进行分析，采用气

液两相流SIMPLE解法，对低压大流量自激脉冲清

洗喷嘴内部气液两相流进行值模拟，追踪振荡腔内空化的演变过程，解释低压大流量自激脉冲射流

的发生机理。李晓红等¨训运用流体网络理论建立

了自激振荡脉冲射流装置的相似网络模型，数值计

算分析了系统频率特性，计算结果表明，该喷嘴装置

具有压力谐振特性和低通滤波特性，其固有频率主要由喷嘴的形状、结构参数和波速决定，并存在产生

最大谐振峰值的最佳腔长范围。文献[11，]指出，重

庆石油大学与西南石油学院研究者根据这一理论，

通过对射流穿过圆柱形空腔产生自激振动现象的研

究，研制出了石油钻井用的振荡脉冲喷嘴。这种喷嘴的工作效率是连续射流的数倍，且能在不需要任

何辅助装置的条件下，直接放在现行钻头的水眼内，

依靠自身所具有的自激振荡腔和特殊的边界条件将

连续射流转化成脉冲射流，大大提高了钻井速度。

经过多年研究，学者们对自激振荡脉冲射流发

生机理达成一定共识，可概述为：

当上游剪切流动的雷诺数在一定范围时，腔内

剪切流动中就存在从低频到高频的许多涡量扰动；

上游喷嘴中高速射流束的不稳定扰动如涡量脉动在

穿过腔内剪切层时，剪切层对其具有选择放大作用，

它们之间的相关性增强，能量逐渐集中在主频段，形

成大尺度涡环结构，则在下游区就会形成强烈振荡；

若剪切流动中涡旋与碰撞壁相互作用，就会使碰撞

区产生的压力扰动波向上游反射，诱发上游分离区

新的涡量扰动的产生；涡环频率与振荡腔固有频率

接时即新扰动与原扰动频率匹配，且具有合适的相

位关系时，射流上游就不断地被周期性激励，其固有

波形受到调制，就会使下游的振荡持续下去，腔内就

产生流体自激振动并在下游喷嘴出口形成脉冲射

流；由于射流的卷吸作用使振荡腔内处于脉动负压

状态，靠射流边界的脉动贮存能量，真空度变化规律

与振荡腔结构尺寸、涡旋频率和幅值有直接关系。

1．2实验研究现状国内很多高院和科研机构根这些理论对自激

振荡脉冲喷嘴进行了试验性研究，文献[12]根

水第29卷杨家林等．自激振荡脉冲清洗射流研究及应用现状

声学原理和瞬变流理论，在自激振荡脉冲射流喷嘴

的基础上，设计了一种新型的串联型脉冲喷嘴，它由

Helmholtz谐振腔和风琴管谐振腔串联组成。实验

选用3种不同形状碰撞壁风琴管，采用SDl50测试

系统，分析了串联型脉冲射流动态特性和形状变化

对脉冲射流特性的影响规律，以及泵压和风琴管振

荡腔长对射流冲蚀效果的影响。实验结果显示：如

果两振荡腔结构参数选择合理，使其固有频率耦合，

射流将能激励出更大的流体振荡，射流的瞬时能量

将得到更大提高；3种碰撞壁中，冲蚀效果最佳的是

球面形碰撞壁风琴管串联型脉冲喷嘴。

2自激振荡脉冲射流的应用现状

目前，水射流技术已经被广泛的应用于清洗、除

锈、切割等工艺中，这项新工艺的关键技术就在于喷

嘴结构。喷嘴是转换射流的元件，是形成水射流的

直接元件，其性能的好坏、材料的适宜与否都将直接

影响到水射流的实际应用。

自激振荡脉冲射流还可用于对油罐进行清淤。

目前，自激振荡喷嘴在油罐清淤方面的应用还只是

处于试验阶段。浙江大学对自激脉冲喷嘴进行了2

次试验，得到产生较好打击效果的喷嘴最优结构参

数，并为清洗喷嘴的优化设计提供试验依据。采用

脉冲射流进行油罐底泥清洗有以下三个方面突出优

点：1)可利用管路自激现象可产生比定压射流滞止

压力高得多的水锤压力，提高打击效果；2)脉冲方式

可在相邻射流团到达间隙的较短时间内，产生较大

的冲量作用于被沥青包裹的油泥粒团，达到使油泥

粒团结构松散和破环的目的，从而提高射流在搅拌

均化油泥、分解油泥结构方面的清洗效率；3)采用自

激振荡脉冲射流的方法，可大大降低管道内的压力

等级，便于管路的设计和降低能耗。因此，自激振荡

脉冲喷嘴，在油罐清洗中的作用是节约了能源，增加

了清洗的效率M】。3自激脉冲射流的研究展望

纵观国内外的研究成果，多是对自激振荡脉冲

射流的产生的机理、频率、数值模拟、试验等方面进

行了研究。但是这些研究大部分都是探索性的、不

系统的研究，没有形成完整的体系。因此，笔者认为还应该从以下四个方面进行研究和创新。

(1)在理论研究方面，加强对喷嘴固有频率及其

影响因素、产生高效射流的机理、效率、喷嘴系统的

稳定性以及频率对喷嘴最优参数的影响等方面进行

研究。

(2)在喷嘴的结构设计方面，已经有双腔式的串

联结构，该结构的优点是能够提高射流的效率。那

么，双腔式的并联结构，或是双腔的串并联结构也可

以成为下一步研究的方向。双腔室自激振荡喷嘴较

单腔室自激振荡喷嘴，增加了沿程阻力损失和局部

阻力损失，但通过对两腔室的合理匹配，可以产生较大的谐振流体，从而提高了射流瞬间峰值压力。

(3)在自激振荡喷嘴研究的重点方面，自激振荡

脉冲射流打击力的影响因素以及如何提高其打击力

是今后的主要方向。

(4)在自激振荡喷嘴的应用方面，由于油罐的容

积也越来越大，越来越需要油罐自动清洗技术，自激

振荡脉冲射流喷嘴将会具有很好的发展前景。同时

还应该将自激振荡脉冲射流应用在新领域，随着研

究的逐渐深入，自激振荡脉冲射流的应用范围会更

广。

参考文献

[1]蒋海军，廖荣庆．自激式脉冲射流机理探讨[J]．西南石

油学院学报，1998，20(3)11—9．[2]廖振方，唐川林．自激式脉冲射流喷嘴的理论分析[J]．重庆大学学报：自然科学版，2002，25(2)：24—27．[3]王嘉松．自激振荡脉冲射流理论与实验研究及其信号分析软件的研制[D]．南充：西南石油学院，1992．[4]KingJL，DoyleP，OgleJB．Instabilityinslottedwal

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