环形自激振荡射流涡激空化效应及对卷吸性能的影响机理

The high speed water-air jet can entrain the air around， and then the low vacuum environment may be come into being， which has characteristic of simple structure， high stabilization. But there are some vices in the jet pump， include the lower energy transfer efficiency、high residuary pressure. Based the pre-research result，the annular jet has owned upper energy transfer efficiency， and the self-excited oscillation jet can improve the water-air transfer efficiency of the mass and energy. So the concept of annular water-air self-excited oscillation jet is brought forward. The water-air turbulence characteristic in the self-excited oscillation chamber would be opened out， include the rules of the seasonal cavitation influence the efficiency of air-sealed， the created characteristic of the cellular vortex in negative pressure. The mechanism of annular self-excited oscillation jet can improve the energy transfer efficiency will be clarified. The connection between the parameters and the flow ratio、energy transfer of the annular water-air self-excited oscillation jet will be analyzed. Aimed the best efficiency of air-sealed and energy transfer， the parameters will be optimized using the model of neural network method to reconstruct the mechanism to implement numerical prediction. It is very important to improve the basis of theory and application in high-powered jet pump。

射流泵是利用高速水射流形成负压，完成对被吸流体的抽吸、混合和输送。但射流泵传能效率较低，受空化效应影响大，成为了射流泵应用基础研究的瓶颈问题。前期研究发现，从环形喷嘴喷出的工作流体具有较好的传能效率，而自激振荡脉冲射流能产生涡激空化的效果，能增强对气体的卷吸能力。本项目结合两者优势，提出环形自激振荡水射流概念。拟从振荡腔室内近周期性涡激空化产生过程及机理分析入手，研究环形射流受碰撞壁约束后形成的涡量扰动波在腔室内反馈过程；建立涡激空化相关数学模型，找到自激振荡腔室内涡激空化对卷吸效果影响的规律，探索环形水气自激振荡射流三维发展特性；采用神经网络方法建模找到结构参数组合对卷吸效果的影响规律，并建立响应面预测模型，利用遗传算法优化结构参数，结合实验验证的方式，找到实现最佳卷吸能力的无量纲结构参数组合。这为提高射流泵传能效率，抑制极限空化而研制新型环形自激振荡水射流泵奠定了理论和应用基础。

本项目提出了一种考虑了剪切应力和由湍动能产生的压力脉动对空化初生影响的修正空化模型，阐明环形自激振荡射流泵内部的涡激空化产生的过程，剖析了涡激空化效应对提高气体卷吸能力的根本原因在于对主射流的周期性激励作用。将修正后的空化模型通过用户自定义函数UDF挂入到Fluent中定义空化压力属性，并对自激振荡腔室内主射流流场进行模拟，能够较为准确地模拟出自激振荡腔室中空化发展。.提出了环形自激振荡射流泵的设计理念，以提高气液两相传能效率为目标，对环形自激振荡射流泵的结构参数进行了优化设计，确定了较优的结构参数组合；基于流体力学的基本理论和气核的稳定平衡方程，分析了空化初生的判断条件，并研究了射流泵流场中涡激空化气囊的周期性发展规律，对其流场中的振荡效果和频率特性进行了初步研究。利用Fluent有限元分析软件对环形自激振荡射流泵的内部流场特性展开研究，揭示了环形自激振荡射流泵流场中的压力场、速度场和湍流场的分布特征；搭建了环形自激振荡射流泵性能测试实验台，射流泵中的喉嘴距、振荡腔室长径比、上下喷嘴直径比三个参数有多种变化组合，从而改变环形自激振荡射流泵运行工况，找到能够实现较优的传能效率/卷吸效果的参数组合；完成了相同工况下与不带自激振荡腔室的普通环形射流泵卷吸效果的对比实验，证明了环形自激振荡射流在对气体卷吸效果上具有较好的提升。.本项目分析总结了环形自激振荡射流泵提高对气体卷吸能力的机理，通过实验验证和仿真计算，发现环形自激振荡射流泵与普通环形射流泵相比，能够提高5-10%的吸气效果。本项目的计算结果为环形自激振荡射流泵的结构优化设计提供了依据。