基于CFD的振荡脉冲水射流压力特性及自激喷嘴的结构设计研究

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高压水射流技术是近20年来发展起来的一门新技术,其应用日趋广泛。其中,自激脉冲射流作为一种新型射流型式,因其节能、高效、环保等特点,在金属切割、表面清洗、矿藏开发、高层建筑消防等工程领域的广泛应用,而备受科技工作者的青睐。自激振荡脉冲射流是在综合利用流体动力学、水声学、流体共振和流体弹性学等基本原理基础上发展起来的一种新型高效射流,近年来成为射流研究领域的热点和难点之一。不同于传统射流,自激射流是通过自激励,而不需要外加激励源,靠流体本身在特殊的固体结构中产生自激振荡,将连续射流变为振荡脉冲射流。然而,作为自激脉冲射流系统的核心部件,自激喷嘴的增压机理及其增压特性,目前国内外相关研究还不够充分。因此,本文通过理论分析和数值仿真相结合,针对自激脉冲射流中的自激喷嘴,开展增压特性及其结构设计方面的研究。本文在综述国内外研究现状的基础上,建立了自激喷嘴物理流场的数学模型,进而从流体控制方程、湍流模型和数值求解方法等方面给出相应数值算法。结合数值仿真结果,分析脉冲水射流形成过程及机理,揭示出自激喷嘴对射流产生的增压特性,在此基础上进一步总结得到产生自激振荡的有效反馈条件。通过数值仿真,针对振荡腔直径、长度等主要结构参数,以及系统压力等运行参数,对比分析振荡脉冲对增压效果的影响,进而确定振荡腔结构参数的优化配比关系,在此基础上完成自激振荡喷嘴的结构设计,为高压水射流技术的工程应用提供理论基础。针对大流量自激振荡脉冲射流中考虑空化效应的难点问题,开展了初步研究,结果表明建立有效的空化模型是关键。这方面本文采用流体网络理论的参数模型,通过理论分析,导出自激振荡脉冲射流喷嘴的频率特性分析式,从而确定影响射流品质的主要影响参数。最后,总结全文研究,指出在喷嘴射流研究中取得的成果和不足,并指出进一步的研究方向。文章得出的一些结论为以后的研究和优化喷嘴的设计提供了参考依据。
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