自激励扫掠射流流动特性的数值研究

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随着射流研究的不断深入,自激励射流振荡器在流体机械、航空等领域内的应用潜力逐渐被发掘,其在摩擦减阻、空气降噪和微气泡生成等方面拥有技术优势。由于自激励射流振荡器内外流场的高复杂性,采用实验方法不易准确测量关键数据,特别是对于不同结构射流振荡器在不同工况下的流动分析,尚未形成系统的研究体系,而通过数值模拟方法可以对实验进行合理预测。本文使用Fluent前处理软件构建几何模型并使用Fluent mesh划分结构网格。利用网格独立性验证、斯特劳哈尔数(Sr)验证、与文献报道的结论对比等方法验证,得出计算结果与模型具有可靠性。最终采用数值模拟方法,选用SST k-ω湍流模型对不可压缩流体在射流振荡器中的流动特性与关键变量进行分析。具体开展了以下内容的研究。射流振荡器的长径比n与出口角度θ是影响扫掠射流的两项关键结构参数,长径比n与出口角度θ的不同会影响自激励振荡射流的计算结果。本文探讨了射流振荡器在不同长径比n与出口角度θ下的速度场与压强场,得出内外流场的流动特性,同时分析了不同n与θ的振荡器结构在不同入口流速Vinlet下的振荡频率f、扫掠角度φ、沿程湍动能k、腔体内涡旋面积S与外部扫掠区域涡旋面积Sout的变化规律。结果表明:射流振荡器的振荡频率f与流体种类无关,并且在结构允许范围内,当入口流速Vinlet增大时,扫掠角度φ增大,振荡频率f呈线性增长;腔体内任意一点的瞬时速度最大值与瞬时压强最小值同时出现;当长径比n增大时,振荡频率f及其峰值升高,主射流在腔体内产生二次振荡现象,径向出流速度上升,喉道内部压强降低,扫掠角度φ增加,径向湍动能k上升,内部主涡旋面积S与外部扫掠区域的涡旋面积Sout增加;当出口角度θ增大时,外部流场的扫掠有效区域增加,f及其峰值逐渐降低至临界值,径向出流速度增加,喉道内部压强不变,高雷诺数Re工况下的径向湍动能k增加,外部扫掠区域涡旋面积Sout基本不变。
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