基于剪切涡流运动的自激振荡脉冲射流减阻特性

发布时间：2021-10-07 02:31

　　流体运动特性对管道近壁面阻力变化有重要影响。以速度梯度和切应力线性表示壁面摩擦阻力,分析了自激振荡腔室出流管道剪切涡流演变规律及圆截面涡流层次分布状态变化。采用大涡模拟数值方法,计算得到出流管道某轴切面及法向面的瞬时速度和平均速度、不同上下游管径比下出流管道的壁面切应力以及不同长径比下出流管道的法向速度梯度。研究结果表明:自激振荡脉冲射流流动受反向助推涡影响具有强烈三维特性,射流流型呈现"波浪式"运动且发生周向偏转,射流流速及流型均发生周期性波动变化;当自激振荡腔室上下游管径比大于1时,出流管道壁面切应力开始减小,且随腔室上下游管径比增大,切应力缩减率最大达到约30%,壁面摩擦阻力随之减小;自激振荡腔室长径比在0.55时射流最大法向速度梯度波动幅值达到最大,当长径比继续增大时,出流管道内射流法向速度梯度逐渐减小,摩擦阻力亦随之减小。研究结果可为自激振荡脉冲增输装备设计及优化提供理论基础与科学依据。 

【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(04)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

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不同于平直管道的分离射流，具有特殊腔室结构的自激振荡射流为有限空间射流。高速气流自上游入流管道进入自激振荡腔室后同腔内静止气流出现湍流混合，产生能量交换，形成湍流剪切层。同时，受压力扰动波影响，腔室内旋涡发生脉动周期为T的分离、汇聚和脱落等现象，导致下游出流管道内流体呈现脉冲状态并使得流体流速急剧变大，形成自激振荡脉冲射流。气体射流经过自激振荡腔室产生的剪切层使腔室壁面低速带黏性底层厚度增加，由于气体同气体间的切应力远小于气体同固体壁面间的摩擦阻力，气-气形成的强剪切层受腔室结构影响更大。自激振荡腔室出流管道剪切涡流演变如图1所示。自激振荡腔室特殊结构导致出流管道内流体流动状态发生改变，剪切层及回流区的存在使出流管道壁面附近产生大量连续的剪切涡流，因涡流周向流动与中心脉动主射流流动方向相反并发生剪切，形成反向助推涡。自激振荡脉冲效应形成的反向助推涡产生周向挤压，使出流管道边界层状态发生改变，有利于提高流体减阻效果。

自激振荡腔室下游流道圆截面涡流层次分布状态如图2所示，其中Ⅰ区为壁面、Ⅱ区为低速带、Ⅲ区为高速带。在与流体流动方向垂直的径向方向上，近壁区聚集的反向助推涡因其周向运动，损失部分能量形成低速带。因高速带脉冲主射流流速极大，与低速带形成速度差，发生剪切作用，导致高速带与低速带临界处产生周向挤压，使得径向流速逐渐增大，最终速度增量趋于稳定。结合图1轴向反向助推涡运动可见：反向助推涡不仅可使管道内脉冲主射流沿流动方向加速，其径向方向也可获得加速效果并产生周向挤压，形成减阻效果，最终使得主射流流体在反向助推涡的夹带下被高速“挤出”射流场。2 控制方程

【参考文献】：
期刊论文
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硕士论文
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本文编号：3421194