·1192 工程科学学报，第37卷，第9期 脉动信号的成分、实时分析谐振频率等方面仍存在着 d2/d1=1.62.3,D/d1=9.6~20.7,L/d1=4.8~ 局限性.为此，本文提出了一种通过检测喷嘴振荡腔 14.5.高虹回采用流体相似理论并结合实验得出亥姆 内压力脉动信号来研究自振射流的新方法，旨在探究 霍兹共振腔的结构参数：d2/d,=1.2~1.3,D/d,≤ 自振射流在振荡腔内的形成机理，以及在多物理场作 8.8,L/d,=2.4.本文研究中参考腔长L/d,,腔径D/ 用下的影响因素 d,下喷嘴直径d/d,的优化参数配比范围@，并结合 1喷嘴结构及测点布置 现有的实验条件，最终确定的喷嘴结构参数：d2/d,= 1.2,D/d,=10,L/d1=13.5. 1.1自振射流喷嘴装置 振荡腔体 碰撞壁 当稳定液体流过喷嘴谐振腔的出口收缩断面时， 产生自激压力激动，这种压力激动反馈回谐振腔形成 反馈压力振荡.图1是自振空化水射流的两种典型结 进水口 出水口 构喷嘴：风琴管喷嘴和亥姆霍兹(Helmholtz)喷嘴 适当控制谐振腔尺寸和流体的斯特劳哈尔(Strouhal) 数，使反馈压力振荡的频率与谐振腔的固有频率相等， 从而在谐振腔内形成声谐共振，使喷嘴出口射流变成 断续涡环流，从而在涡环中心产生空化，这种断续涡环 流的结构使得射流效果远远高于普通射流 a 图2自振射流喷嘴几何模型 Fig.2 Geometric model of a self-resonating water jet nozzle 1.2振荡腔测点布置 为了有效获取腔内流体脉动特征，传感器应布置 在压力信号波动最为强烈的区域.为此，利用CFD模 拟方法对该喷嘴装置在特定工况下的腔内流场分布进 行分析.湍流计算采用标准k一e模型，选用QUICK格 式对控制方程进行离散，采用气液二相流的SIMPLE 图1自振射流典型喷嘴结构装置.(a)风琴管喷嘴：(b)亥姆霍 算法进行离散方程组的求解.考虑到腔内有可 兹喷嘴 能发生空化现象，选择Mixture模型对空化过程进行描 Fig.1 Typical nozzle devices of self-resonating water jet:(a)organ pipe nozzle;(b)Helmholtz nozzle 述.结合实验条件，运行参数设置如下：上喷嘴工作压 强为3MPa,流量1L·min,喷嘴入口流速为17.6m· 由于自振射流属于无源自振，其共振频率值与谐 s,下喷嘴出口压力为大气压 振腔的入口截面、出口截面等参数相关.廖振方和唐 图3为腔内流场的数值模拟结果.由图3(a)静压 川林团研究了喷嘴装置的腔室各结构参数在自激振动 分布图可看出，在射流通过中心区后，振荡腔内出现中 中的作用，特别是下游壁形状和喷嘴直径的影响，并将 心低压区，形成了一对涡环，对轴心射流形成阻尼，从 喷嘴振荡腔简化为图2所示的物理模型.王循明圆通 而在出口处产生流速脉动.腔内壁中间部分的压力值 过大量数值仿真与实验得出腔体结构参数优化范围： 明显不同于两侧的压力值，压力脉动受涡环的影响比 压强MPa 速度/(m·s 1.98 ■18.7 1.68 15.7 1.38 12.7 0.78 9.7 0.48 6.7 0.18 3.7 0.09 07 0.03 0.3 0 图3腔内数值模拟结果.()静压分布图：(b)速度矢量图 Fig.3 Numerical simulation results in the oscillation cavity:(a)static pressure distribution:(b)velocity vector distribution工程科学学报，第 37 卷，第 9 期 脉动信号的成分、实时分析谐振频率等方面仍存在着 局限性． 为此，本文提出了一种通过检测喷嘴振荡腔 内压力脉动信号来研究自振射流的新方法，旨在探究 自振射流在振荡腔内的形成机理，以及在多物理场作 用下的影响因素． 1 喷嘴结构及测点布置 1. 1 自振射流喷嘴装置 当稳定液体流过喷嘴谐振腔的出口收缩断面时， 产生自激压力激动，这种压力激动反馈回谐振腔形成 反馈压力振荡． 图 1 是自振空化水射流的两种典型结 构喷嘴: 风琴管喷嘴和亥姆霍兹( Helmholtz) 喷嘴［1］． 适当控制谐振腔尺寸和流体的斯特劳哈尔( Strouhal) 数，使反馈压力振荡的频率与谐振腔的固有频率相等， 从而在谐振腔内形成声谐共振，使喷嘴出口射流变成 断续涡环流，从而在涡环中心产生空化，这种断续涡环 流的结构使得射流效果远远高于普通射流［6］． 图 1 自振射流典型喷嘴结构装置． ( a) 风琴管喷嘴; ( b) 亥姆霍 兹喷嘴 Fig． 1 Typical nozzle devices of self-resonating water jet: ( a) organ pipe nozzle; ( b) Helmholtz nozzle 图 3 腔内数值模拟结果． ( a) 静压分布图; ( b) 速度矢量图 Fig． 3 Numerical simulation results in the oscillation cavity: ( a) static pressure distribution; ( b) velocity vector distribution 由于自振射流属于无源自振，其共振频率值与谐 振腔的入口截面、出口截面等参数相关． 廖振方和唐 川林［7］研究了喷嘴装置的腔室各结构参数在自激振动 中的作用，特别是下游壁形状和喷嘴直径的影响，并将 喷嘴振荡腔简化为图 2 所示的物理模型． 王循明［8］通 过大量数值仿真与实验得出腔体结构参数优化范围: d2 /d1 = 1. 6 ～ 2. 3，D/d1 = 9. 6 ～ 20. 7，L /d1 = 4. 8 ～ 14. 5． 高虹［9］采用流体相似理论并结合实验得出亥姆 霍兹共振腔的结构参数: d2 /d1 = 1. 2 ～ 1. 3，D/d1 ≤ 8. 8，L /d1 = 2. 4． 本文研究中参考腔长 L /d1，腔径 D/ d1，下喷嘴直径 d2 /d1的优化参数配比范围［10］，并结合 现有的实验条件，最终确定的喷嘴结构参数: d2 /d1 = 1. 2，D/d1 = 10，L /d1 = 13. 5． 图 2 自振射流喷嘴几何模型 Fig． 2 Geometric model of a self-resonating water jet nozzle 1. 2 振荡腔测点布置 为了有效获取腔内流体脉动特征，传感器应布置 在压力信号波动最为强烈的区域． 为此，利用 CFD 模 拟方法对该喷嘴装置在特定工况下的腔内流场分布进 行分析． 湍流计算采用标准 k--ε 模型，选用 QUICK 格 式对控制方程进行离散，采用气液二相流的 SIMPLE 算法进行离散方程组的求解［11 － 14］． 考虑到腔内有可 能发生空化现象，选择 Mixture 模型对空化过程进行描 述． 结合实验条件，运行参数设置如下: 上喷嘴工作压 强为 3 MPa，流量 1 L·min － 1 ，喷嘴入口流速为 17. 6 m· s － 1 ，下喷嘴出口压力为大气压． 图 3 为腔内流场的数值模拟结果． 由图3( a) 静压 分布图可看出，在射流通过中心区后，振荡腔内出现中 心低压区，形成了一对涡环，对轴心射流形成阻尼，从 而在出口处产生流速脉动． 腔内壁中间部分的压力值 明显不同于两侧的压力值，压力脉动受涡环的影响比 ·1192·