低频自激脉冲射流发生机理及其频率调制研究

自激脉冲喷嘴利用流体自激产生脉冲射流，大量应用于清洗、切割、破岩等方面。进行喷嘴结构设计时，若能根据靶物材料破坏特性采用不同的射流打击频率,则不仅能提高生产效率，还可大大降低工程设备配套功率、压力等级及工艺制造难度。课题以水力清洗为工程背景，通过揭示自激脉冲射流发生机理，分析汽液相变弛豫特性对脉冲射流的影响，建立自激振荡腔内汽液相变与脉冲频率的关系，从而获得低频自激脉冲射流频率调制方法。主要内容包括自激振荡腔内周期性相变三维受限空间湍射流数值模拟理论、汽液相变频域分析以及自激脉冲喷嘴频率调制的试验研究。首先，通过修正和完善非平衡态空化模型，提高对腔内大尺度涡环拟序结构汽液相变的模拟精度；其次，利用自激振荡腔汽相体积分数近周期性变化特点，建立喷嘴结构及工作压力与脉冲射流频率的关系；最后，通过自激喷嘴频率调制试验装置，设计可调喷嘴进行脉冲射流的频率调制，以验证数值计算理论，为工业应用提供依据。

自激脉冲喷嘴利用流体自激产生脉冲射流，大量应用于清洗、切割、破岩等方面。进行喷嘴结构设计时，根据材料屈服特性，采用不同频率的脉冲射流打击目标,不仅能提高生产效率，还可大大降低工程设备配套功率、压力等级及工艺制造难度。课题以水力清洗为工程背景，通过揭示自激脉冲射流发生机理，分析汽液相变弛豫特性对脉冲射流的影响，建立了自激振荡腔内汽液相变与脉冲频率的关系，从而获得低频自激脉冲射流频率调制方法。主要内容包括自激振荡腔内周期性相变三维受限空间湍射流数值模拟、汽液相变及流场、压力场脉冲的频域分析，以及自激脉冲喷嘴频率调制的试验研究。首先，比较了不同模型和算法对三维非定常周期性相变的模拟精度及计算时间，LES由于大涡模拟不能对介质的非定常相变进行处理，因此本项目仅在初期采用大涡模拟的方法对流场和压力场进行仿真，寻找出对脉冲频率和幅值有较大影响的自激喷嘴结构及其对应的操作压力；而在后期主要采用了湍流模型和空化模型对优化结构的喷嘴进行模拟，并基于工业应用，提出自激发生的判别准数的函数形式，为自激脉冲喷嘴设计及其频率调制方法提供了理论依据。试验研究方面，基于试验设计对自激喷嘴关键参数及操作压力进行了正交试验设计，对试验数据的分析得出了中低压范围内，产生自激的工作压力及敏感结构参数与频率的对应关系。其次，重点针对操作参数在频率调制过程中的影响进行了单因素分析，与数值仿真计算结果取得了一致。表明腔内大尺度涡环拟序结构及汽液相变的确存在，并影响甚至决定着自激脉冲的频率和振幅；最后，项目还对脉冲射流打击力随靶距衰减规律进行了试验，并与相同条件下的连续射流进行了对比，给出了喷嘴关于不同压力、频率的打击力计算公式；清洗效果试验还将对根据不同材质打击对象进行，根据水力清洗工业中3种典型的材质，根据每种打击材质的清洗时间及清洁度，判断最佳打击力、频率和靶距，为工业应用提供依据。公开发表的相关成果有2篇核心期刊论文（其中1篇为EI收录期刊录用），2篇工程热物理学会会议论文(2011、2012年)，1篇国际流体机械学会会议论文（ISFMFE 212），该论文被JIFMS（International Journal of Fluid Machinery and Systems）录用；试验台架发明专利1项，培养博士研究生2名，硕士研究生2名。