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文|多芬奇
轴对称型腔中的腔体流量振荡对于自激脉冲水刀的运行效率至关重要，自激脉冲水刀在许多实际应用中被广泛使用。
本研究基于壁压特性研究了轴对称空腔中湍流导致腔体流动振荡的行为。使用四个具有不同长度与半径比的亥姆霍兹喷嘴进行实验，流速为20-80 m / s。通过壁压谱分析得到轴对称腔内0个阶流体动力学模态。
基于实验结果，修正了罗西特公式的经验系数，得到参数相位滞后和对流速度与自由流速度之比的值分别为061.0和511.
相比之体共振振荡引起的压力波动的主要原因是自由表面波。如图1所示，腔体的结构决定了声驻波的方向。在浅腔中，由于足够的空腔长度，在流动方向上存在驻波。Hassan[14]研究了不同流速下空腔的流动振荡。
他们的结果表明，当流速超过一定值时发生振荡，并且腔体引起的流动振荡频率随速度的增加而增加;腔体边缘反射空腔产生的自由表面波，而声驻波模式下的激励由空腔和风洞几何形状在一定条件下决定，这会引起脉动并放大压力。
涡旋结构的时空演变伴随着腔体的声学模式。流场的能量输入增强了声波，而高振幅声波激发了涡旋结构的演变，从而在腔内产生流动，从而显示出自我维持振荡的特征。
图1
腔流振荡示意图：（a）深腔，（b）浅腔
实验结果表明，自维持振荡可以显著提高射流的峰值压力和冲蚀能力，有利于扩展射流在油气勘探中的应用。
利用图2所示的轴对称腔诱导自激空化振荡射流，是基于这一原理在水射流工程中的重要应用，可有效显著提高水射流的运行效率。
尽管轴对称腔结构简单，但流过腔体的特性很复杂，流体与空腔之间的相互作用没有阐明。
提高自激发空化水射流运行效率的一个重要因素是流动条件与空腔几何形状之间的适度关系。关于轴对称腔中流动特性的实验研究对于解决这个问题至关重要。
图2
120°撞击边缘亥姆霍兹喷嘴的示意图（a）和照片（b）
在这项研究中，研究了轴对称腔背景下驻留声波与流体动力振荡之间的振荡耦合。一是介绍实验设施和方法的制定;本研究使用了四种不同的轴对称腔配置。随后，讨论了轴对称腔中驻留声波与流体动力振荡之间的振荡耦合。
阿拉伯数字实验设置和程序
2.1实验设置
使用多功能水刀试验台进行了实验研究，该试验台由水射流理论与新技术湖北省重点实验室独立开发，之前已用于多项研究[17,23]。 型腔流动振荡测试的实验流程图如图3所示。
图3
实验装置示意图：（a）实验系统，（b）测试部分
使用安装在泵出口处的涡轮流量计测量测试部分的流速。对于每个实验，测试部分的流速范围为20至80 m / s。
由于柱塞泵在泵冲程期间的独特工作原理，实验系统中的初始压力波动。为了实时捕获型腔流量振荡，必须将泵引起的扰动降至最低。更具体地说，两个气囊蓄能器分别放置在泵和喷嘴附近的管道中。
3.1压力数据的光谱分析
为了提供不同型腔的腔体流量振荡的全局视图，每个型腔内压力波动的功率谱如图4所示。对于每个频谱图，测试部分的流速范围为20至80 m / s，并且同时显示了来自平均61个实验的10个光谱。在频谱图中观察到不同数量的光谱峰，这清楚地表明振荡的频率和幅度与速度有关。
图4
在腔壁上测量的速度相关频谱图
频率相对恒定的频谱峰值如图4b–d所示，这与剪切层不稳定性激发的流体动力学模式不同。假设频谱峰值表征了流音锁定现象或流声共振。
在流声共振期间，确定了高于背景压力的压力振荡幅度足够高，其中压力振荡的峰值幅度达到138 dB。对于振幅较大的振荡峰值，发现流体动力振荡模式的频率与几何共振模式的频率相当。
3.2腔体流动振荡的频率特性
为了分析壁压振荡的流体动力学和几何共振模式的统计特征，绘制了局部峰值的频率，如图5所示。该图表明，不同条件引起的几何共振模式的频率几乎没有变化，并且三个阶流体动力学模式的拟合线反映了特定的频率范围。
图5
空腔压力振荡频率与自由流速度的函数关系
如图4所示，流体动力学模式的振荡幅度小于锁紧频率的幅度。随着速度的增加，各阶流体动力模式的频率也相应增加。
同时，几何共振模式与二阶或一阶流体动力模式之间存在频率重合。当速度从20 m/s增加到80 m/s时，观察到频率锁定，不同轴对称腔的频率锁定次数分别为0、1、1和2。
此外，关于振幅，压力振幅谱中的局部最大值表明声驻波与剪切层之间的耦合。值得注意的是，锁定频率的共振幅度比流体动力模式下的压力波动高约一个数量级。这突出了自激发空化水射流在各种工业应用中的容量潜力。
3.3罗西特公式中经验系数的修正
在亥姆霍兹喷嘴发出的自激空化水射流中，由于动量交换，在腔口处形成了剪切层。随后，由夹带到剪切层中的流体诱导涡环。
从腔前缘脱落后，涡环不断增大，逐渐变不稳定，直至下游边缘受到影响。随后，压力波向前传播到前壁，进一步加剧了剪切层的不稳定性，并在空腔中产生了新的涡环。当压力波形成有效的周期性反馈时，剪切层中发生振荡。
图6显示了在三个量级流体动力学模式下Strouhal数的变化与自由流速度的函数关系。绘制了罗西特公式与两个修改参数的组合以供比较。如图6所示，在修改经验系数后，Rossiter公式在大多数条件下平滑地拟合到实验数据中。
图6
测量和计算的斯特鲁哈尔数
4.1流声共振的特点
V 的壁压谱功率在= 26和57 m/s来表征压力振荡的频率，如图7所示。
图7
声压频率图
轴对称腔的压力响应显示出许多附加特征。首先，在特定流动条件下发生声驻波与剪切层的耦合；流体动力学模式的振荡频率是速度的函数，并确定了特定的Strouhal数范围，其中流体动力学模式的频率与几何共振模式一致，并有助于流声共振。
一般来说，随着腔体长度的变化，一阶流体动力模式与自然声学驻波相互作用，大部分能量集中在共振模式中。
换句话说，当流体动力学模式的频率与驻波的共振频率相似时，腔壁处的振荡压力增强，从而导致耦合共振。然而，在这种情况下，其他流体动力学模式下的能量会减少或消失。
4.2几何共振模式的频率预测
几何共振模式的频率由腔体结构决定。驻波在流体系统中产生，通过共振波效应引起压力波动，共振波效应由流体系统的几何形状和边界条件定义。然而，腔体中的驻波倾向于与脱落涡相互作用，这会导致更显着的压力波动。因此，型腔内压力振荡的机理很复杂。
因此，本文提出了流体网络与腔内腔流振荡的类比，以研究流体系统的几何共振模式。Liu等人模拟了LC电路的自激吸气射流，其中两个基本类似量的质量流量QM定义了流体电位P，这与电流和电压原理一致。
对于本研究中研究的流体系统，必须考虑下游管道的影响。本研究中使用的流体系统的等效电路如图8所示，从中可以清楚地看出它类似于亥姆霍兹振荡器的等效电路。然而，它们之间的显着区别在于流体电阻和流体电感与流体电容并联的存在，这改变了流体系统的整体阻抗。
图8
模拟液相色谱电路图
综上所述，测试503、745和1096的流声共振平均频率分别为4、3和2 Hz，与频率预测的流体模型一致。
4.3流声共振对自激空化水射流的影响
压力增量是评价自激空化水射流运行能力的重要参数。绘制了在四个喷嘴出口处测量的压力增量，如图9所示。观察到出口压力的幅度增加，部分由腔体流量振荡引起。
此外，还发现压力增量与腔体长度有关，当L/r为1时达到最大值，与腔内腔体流振荡强度一致。当L/r = 1时，剪切层的不稳定性导致腔流振荡，导致压力升高。
图9
在喷嘴出口处测量的压力增量
压力增量与耦合共振的振幅一致，这是由于流体动力学模式的强度导致了几何共振模式。
结论
轴对称腔体中的压力振荡与自激发空化水射流的机理显著相关。本研究研究了轴对称空腔引起的自激空化水射流的腔流振荡。
通过实验和分析研究了射流的压力振荡和轴对称腔的壁压力。由于难以测量由强空化引起的蒸汽的体积分数，因此理论上无法获得波速的标准值和几何共振模式的频率范围。然而，本研究得出的结论可为喷嘴结构优化提供依据，以提高自激发空化水射流的性能。结论如下：
- 在轴对称腔发出的自激空化水射流中，剪切层的振荡对应于三个数量级的流体动力学模式。通过拟合实验数据，对罗西特公式进行了修改，使其更适合水中的低马赫数。参数相位滞后值和对流速度与自由流速度之比分别确定为0.061和0.511。
- 壁压的光谱分析揭示了在一定流动条件声共振的发生。当发生流声共振时，观察到高于背景压力的足够高的压力幅度，并且压力振荡的峰值幅度达到138 dB。
引用
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