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文|多芬奇
軸對稱型腔中的腔體流量振蕩對於自激脈衝水刀的運行效率至關重要，自激脈衝水刀在許多實際應用中被廣泛使用。
本研究基於壁壓特性研究了軸對稱空腔中湍流導致腔體流動振蕩的行為。使用四個具有不同長度與半徑比的亥姆霍茲噴嘴進行實驗，流速為20-80 m / s。通過壁壓譜分析得到軸對稱腔內0個階流體動力學模態。
基於實驗結果，修正了羅西特公式的經驗係數，得到參數相位滯後和對流速度與自由流速度之比的值分別為061.0和511.
相比之體共振振蕩引起的壓力波動的主要原因是自由表面波。如圖1所示，腔體的結構決定了聲駐波的方向。在淺腔中，由於足夠的空腔長度，在流動方向上存在駐波。Hassan[14]研究了不同流速下空腔的流動振蕩。
他們的結果表明，當流速超過一定值時發生振蕩，並且腔體引起的流動振蕩頻率隨速度的增加而增加;腔體邊緣反射空腔產生的自由表面波，而聲駐波模式下的激勵由空腔和風洞幾何形狀在一定條件下決定，這會引起脈動並放大壓力。
渦旋結構的時空演變伴隨着腔體的聲學模式。流場的能量輸入增強了聲波，而高振幅聲波激發了渦旋結構的演變，從而在腔內產生流動，從而顯示出自我維持振蕩的特徵。
圖1
腔流振蕩示意圖：（a）深腔，（b）淺腔
實驗結果表明，自維持振蕩可以顯著提高射流的峰值壓力和沖蝕能力，有利於擴展射流在油氣勘探中的應用。
利用圖2所示的軸對稱腔誘導自激空化振蕩射流，是基於這一原理在水射流工程中的重要應用，可有效顯著提高水射流的運行效率。
儘管軸對稱腔結構簡單，但流過腔體的特性很複雜，流體與空腔之間的相互作用沒有闡明。
提高自激發空化水射流運行效率的一個重要因素是流動條件與空腔幾何形狀之間的適度關係。關於軸對稱腔中流動特性的實驗研究對於解決這個問題至關重要。
圖2
120°撞擊邊緣亥姆霍茲噴嘴的示意圖（a）和照片（b）
在這項研究中，研究了軸對稱腔背景下駐留聲波與流體動力振蕩之間的振蕩耦合。一是介紹實驗設施和方法的制定;本研究使用了四種不同的軸對稱腔配置。隨後，討論了軸對稱腔中駐留聲波與流體動力振蕩之間的振蕩耦合。
阿拉伯數字實驗設置和程序
2.1實驗設置
使用多功能水刀試驗台進行了實驗研究，該試驗台由水射流理論與新技術湖北省重點實驗室獨立開發，之前已用於多項研究[17,23]。 型腔流動振蕩測試的實驗流程圖如圖3所示。
圖3
實驗裝置示意圖：（a）實驗系統，（b）測試部分
使用安裝在泵出口處的渦輪流量計測量測試部分的流速。對於每個實驗，測試部分的流速範圍為20至80 m / s。
由於柱塞泵在泵衝程期間的獨特工作原理，實驗系統中的初始壓力波動。為了實時捕獲型腔流量振蕩，必須將泵引起的擾動降至最低。更具體地說，兩個氣囊蓄能器分別放置在泵和噴嘴附近的管道中。
3.1壓力數據的光譜分析
為了提供不同型腔的腔體流量振蕩的全局視圖，每個型腔內壓力波動的功率譜如圖4所示。對於每個頻譜圖，測試部分的流速範圍為20至80 m / s，並且同時顯示了來自平均61個實驗的10個光譜。在頻譜圖中觀察到不同數量的光譜峰，這清楚地表明振蕩的頻率和幅度與速度有關。
圖4
在腔壁上測量的速度相關頻譜圖
頻率相對恆定的頻譜峰值如圖4b–d所示，這與剪切層不穩定性激發的流體動力學模式不同。假設頻譜峰值表徵了流音鎖定現象或流聲共振。
在流聲共振期間，確定了高於背景壓力的壓力振蕩幅度足夠高，其中壓力振蕩的峰值幅度達到138 dB。對於振幅較大的振蕩峰值，發現流體動力振蕩模式的頻率與幾何共振模式的頻率相當。
3.2腔體流動振蕩的頻率特性
為了分析壁壓振蕩的流體動力學和幾何共振模式的統計特徵，繪製了局部峰值的頻率，如圖5所示。該圖表明，不同條件引起的幾何共振模式的頻率幾乎沒有變化，並且三個階流體動力學模式的擬合線反映了特定的頻率範圍。
圖5
空腔壓力振蕩頻率與自由流速度的函數關係
如圖4所示，流體動力學模式的振蕩幅度小於鎖緊頻率的幅度。隨着速度的增加，各階流體動力模式的頻率也相應增加。
同時，幾何共振模式與二階或一階流體動力模式之間存在頻率重合。當速度從20 m/s增加到80 m/s時，觀察到頻率鎖定，不同軸對稱腔的頻率鎖定次數分別為0、1、1和2。
此外，關於振幅，壓力振幅譜中的局部最大值表明聲駐波與剪切層之間的耦合。值得注意的是，鎖定頻率的共振幅度比流體動力模式下的壓力波動高約一個數量級。這突出了自激發空化水射流在各種工業應用中的容量潛力。
3.3羅西特公式中經驗係數的修正
在亥姆霍茲噴嘴發出的自激空化水射流中，由於動量交換，在腔口處形成了剪切層。隨後，由夾帶到剪切層中的流體誘導渦環。
從腔前緣脫落後，渦環不斷增大，逐漸變不穩定，直至下游邊緣受到影響。隨後，壓力波向前傳播到前壁，進一步加劇了剪切層的不穩定性，並在空腔中產生了新的渦環。當壓力波形成有效的周期性反饋時，剪切層中發生振蕩。
圖6顯示了在三個量級流體動力學模式下Strouhal數的變化與自由流速度的函數關係。繪製了羅西特公式與兩個修改參數的組合以供比較。如圖6所示，在修改經驗係數後，Rossiter公式在大多數條件下平滑地擬合到實驗數據中。
圖6
測量和計算的斯特魯哈爾數
4.1流聲共振的特點
V 的壁壓譜功率在= 26和57 m/s來表徵壓力振蕩的頻率，如圖7所示。
圖7
聲壓頻率圖
軸對稱腔的壓力響應顯示出許多附加特徵。首先，在特定流動條件下發生聲駐波與剪切層的耦合；流體動力學模式的振蕩頻率是速度的函數，並確定了特定的Strouhal數範圍，其中流體動力學模式的頻率與幾何共振模式一致，並有助於流聲共振。
一般來說，隨着腔體長度的變化，一階流體動力模式與自然聲學駐波相互作用，大部分能量集中在共振模式中。
換句話說，當流體動力學模式的頻率與駐波的共振頻率相似時，腔壁處的振蕩壓力增強，從而導致耦合共振。然而，在這種情況下，其他流體動力學模式下的能量會減少或消失。
4.2幾何共振模式的頻率預測
幾何共振模式的頻率由腔體結構決定。駐波在流體系統中產生，通過共振波效應引起壓力波動，共振波效應由流體系統的幾何形狀和邊界條件定義。然而，腔體中的駐波傾向於與脫落渦相互作用，這會導致更顯着的壓力波動。因此，型腔內壓力振蕩的機理很複雜。
因此，本文提出了流體網絡與腔內腔流振蕩的類比，以研究流體系統的幾何共振模式。Liu等人模擬了LC電路的自激吸氣射流，其中兩個基本類似量的質量流量QM定義了流體電位P，這與電流和電壓原理一致。
對於本研究中研究的流體系統，必須考慮下游管道的影響。本研究中使用的流體系統的等效電路如圖8所示，從中可以清楚地看出它類似於亥姆霍茲振蕩器的等效電路。然而，它們之間的顯着區別在於流體電阻和流體電感與流體電容並聯的存在，這改變了流體系統的整體阻抗。
圖8
模擬液相色譜電路圖
綜上所述，測試503、745和1096的流聲共振平均頻率分別為4、3和2 Hz，與頻率預測的流體模型一致。
4.3流聲共振對自激空化水射流的影響
壓力增量是評價自激空化水射流運行能力的重要參數。繪製了在四個噴嘴出口處測量的壓力增量，如圖9所示。觀察到出口壓力的幅度增加，部分由腔體流量振蕩引起。
此外，還發現壓力增量與腔體長度有關，當L/r為1時達到最大值，與腔內腔體流振蕩強度一致。當L/r = 1時，剪切層的不穩定性導致腔流振蕩，導致壓力升高。
圖9
在噴嘴出口處測量的壓力增量
壓力增量與耦合共振的振幅一致，這是由於流體動力學模式的強度導致了幾何共振模式。
結論
軸對稱腔體中的壓力振蕩與自激發空化水射流的機理顯著相關。本研究研究了軸對稱空腔引起的自激空化水射流的腔流振蕩。
通過實驗和分析研究了射流的壓力振蕩和軸對稱腔的壁壓力。由於難以測量由強空化引起的蒸汽的體積分數，因此理論上無法獲得波速的標準值和幾何共振模式的頻率範圍。然而，本研究得出的結論可為噴嘴結構優化提供依據，以提高自激發空化水射流的性能。結論如下：
- 在軸對稱腔發出的自激空化水射流中，剪切層的振蕩對應於三個數量級的流體動力學模式。通過擬合實驗數據，對羅西特公式進行了修改，使其更適合水中的低馬赫數。參數相位滯後值和對流速度與自由流速度之比分別確定為0.061和0.511。
- 壁壓的光譜分析揭示了在一定流動條件聲共振的發生。當發生流聲共振時，觀察到高於背景壓力的足夠高的壓力幅度，並且壓力振蕩的峰值幅度達到138 dB。
引用
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