低压自激脉冲空化射流的空泡运动及打击特性研究

对低压大流量自激脉冲空化射流，求解在低压下振荡腔内共振波的频率与喷嘴的结构参数间的函数关系，确定产生空泡并形成自激脉冲射流的极限条件，求解振荡腔内空泡运动的非线性特征，给出空泡经过分叉产生高维大结构涡流环的准周期解，描述空泡涡流环在振荡腔内受到喷嘴出口截面诱导的扰动共振波的剪切作用下破灭及小涡再生的过程，对振荡腔内涉及空化过程的复杂多相振荡流动进行数值研究，考察射流在有限空间内的卷吸特性，分析不同结构参数和动力参数下腔内空化过程的特点和规律,使其能比较准确的预测低压大流量自激脉冲空化射流的工作特性，进行各种参数匹配下喷嘴腔内及出口压力的动态测量，考察其频率特性，并进行低压下射流脉动打击力的测量，实时打击物料样本，得出射流打击力的时域特性，寻找打击频率与脉冲频率之间的关系，检验其打击效果，验证数值分析结果的准确性，为低压大流量自激脉冲空化射流清洗发生装置的设计打下理论基础。

低压自激脉冲空化射流在流程工业大型储罐沉积物清洗等方面具有重要应用，针对自激脉冲空化射流产生的机理，重点分析了压力分布、湍流强度、速度梯度对空化的影响，推导了粘性应力影响空化核的成长和分裂的公式，给出了分裂的极限尺度；分析空化气泡的闭合过程，推导了气泡运动的非线性方程，给出了射流腔内射流频率的表达式。对现有空化模型和湍流模型进行了修正，把湍流强度等效为压力的增加，速度梯度等效为粘性应力，编写了UDF加载程序，应用Fluent进行了空化前、后流场计算。考虑喷嘴的5组特征结构尺寸，设计了正交实验方案，在低压运行参数下，完成了50多组的流场测试实验，分析归纳了喷嘴结构参数对空化产生的影响，上喷嘴直径对脉冲效果影响最为明显，其次是下喷嘴直径，得到了最佳喷嘴几何参数。从实验观察和数值模拟的结果出发，在一个空化射流周期内，存在着气囊团的生成、迁移和破碎的过程，与射流腔内存在能量的聚、散状态相对应，从理论研究、实验观察和数值模拟三个方面解释了空化射流产生的机理。射流作业效果取决于射流的频率和打击力，通过实验，验证了空化脉冲射流比常规圆射流打击力提高60%以上，使用最佳的喷嘴结构参数，改变输入压力、腔长、碰撞角，实验得到了打击力频率的影响规律，对低压自激脉冲空化喷嘴的结构设计和工业化应用具有指导意义。