高围压淹没自激振荡射流多物理场相干作用机理的研究

Self oscillating water jet is a typical unsteady multi-phase flow. In such jet, the pressure field, vorticity field and density field greatly vary and affect each other. Coherent interaction among multi-physical fields is the most important factor to determine fragmentation effect. In this project, theoretical, experimental and numerical methods will be used to study the coupling problem among multi-physical fields of self oscillating water jet under high ambient pressure. There are three research emphases in this study, including genetic conditions for cavitation and their criteria in self oscillating condition and high ambient pressure; the effect of reflected pressure wave on upstream jet and its relation with cavitation; numerical method for self oscillating water jet considering coherent interaction among pressure wave, vorticity and cavitation. Synchronous technology for multi-physical fields in self oscillating water jet will de developed for submerged state. This technology can be used to realize synchronous data acquisition and analysis of instantaneous flow field structure, cavities distribution shape and jet pressure pulse. Furthermore, numerical simulation method will be developed for self oscillating water jet. In this method, zonal model, RANS and LES are combined for turbulent flow calculation. And both cavitation and modification of local sound velocity will be considered.

自激振荡射流是一种典型的非定常多相流动，射流压力场、涡量场和密度场结构均随时间发生强烈脉动，且上述物理场之间存在着复杂的相干作用。多物理场的相互作用是决定射流特征及其冲蚀、破碎效果的关键性基础问题。本课题采用理论、实验和数值模拟相结合的研究方法，针对高围压环境中淹没自激振荡射流多物理场耦合问题展开研究。重点研究了以下三个问题：高围压与自激过程共同作用下，射流中空化效应生成规律及其判定准则；下游压力扰动对自激振荡射流特征影响及其与空化作用的关联性；考虑波-涡相干过程及空化作用的自激振荡射流数值计算方法。课题实施过程中将研发淹没状态下自激振荡射流多物理场同步实验技术，实现瞬态流场结构、空泡云形态及气穴分布和射流压力脉动的同步数据采集与处理分析。并建立以区域模型-RANS-LES为湍流计算模式并考虑空化效应及局部音速修正的自激振荡射流数值模拟方法。

自激振荡射流兼有脉冲射流和空化射流的特点，在高围压环境下可产生良好的冲蚀效果，因此在深海矿产开采领域具有广阔应用前景。深入了解自激振荡射流在深海高围压环境中的非定常流动特征，是提高其打击破碎效果，扩展其在海底矿藏开采中应用的基础。本项目从自激振荡射流非定常流动时空演变特征这一根本性问题入手展开研究工作。首先，研发了自激振荡射流多物理场同步实验测量平台，并通过大量比对实验，对利用该平台检测、调制自激振荡射流性能的可行性和先进性进行了深入分析。该平台为全面把握自激振荡射流的非定常流动特征提供了有效的研究手段。依托该平台，研究了自激振荡射流压力脉动信号的检测方法，并基于信号分析方法揭示了自激振荡射流的频率特性，获得了射流发生自激振荡时的特征频率，且具有高频特点。通过大量实验，系统分析了自激振荡射流特征频率的影响因素。通过实验研究，从声压级、噪声能量、声功率三个角度对不同环境围压、喷嘴结构、射流工况下自振射流空化特征进行分析，系统研究了影响自激振荡射流空化效果的各项因素。研究结果表明，相较于普通锥形喷嘴和风琴管，在高围压环境中赫姆霍兹喷嘴可产生具有较强空化效应的脉动射流，在深海矿藏开采领域中具有明显的应用优势。在实验的基础上，将LES/RANS混合模拟计算方法引入自激振荡射流研究。针对自激振荡射流所具有的高频脉动及边界层内各向异性特性，对现有模拟方法进行改进，显著提高了模拟计算精度。该方法弥补了现有模拟方法存在的不足，从而为自激振荡射流领域的相关研究提供了有效的研究手段。以数值模拟作为主要研究手段，结合实验研究对喷嘴内部非定常流动结构进行三维可视化研究。最后，通过与Fourier变换、小波变换进行比对分析，从信号完整性、消噪和滤波、时频分辨率等角度探讨了HHT方法的优势及在自激振荡射流领域信号分析中的应用前景。本项目的研究成果不仅完善了自激振荡射流理论，并可推动该技术在深海领域的应用。