脉冲射流作用下驻点压力特性的试验研究

脉冲射流作用下驻点压力特性的试验研究 脉冲射流作用下驻点压力特性的试验研究 第26卷第1期 2005年1月 工程热物理学报 JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICS V01.26.NO.1 Jan.,2005 脉冲射流作用下驻点压力特性的试验研究 王乐勤焦磊徐如良李江云 (浙江大学化工机械研究所,浙江杭州310027) 摘要利用自行研制的自激振荡脉冲射流发生装置对脉冲射流垂直冲击靶盘产生的驻点压力进行了试验研究,实测了 不同参数下驻点压力的瞬时变化,分析了驻点压力的脉冲特性和沿程变化特性,探讨了喷嘴直径d,喷嘴出口速度和 靶距日对驻点压力的影响,并与相同工况下连续射流的打击力做了比较.试验结果表明,脉冲射流峰值打击力明显高于 连续射流,驻点压力峰值持续时间随d增大而增长,同一喷嘴直径下,驻点压力峰值与成正比,与日成反比. 关键词脉冲射流;驻点压力;自激振荡 中图分类号:TE248文献标识码:A文章编号:0253—231X(2005)01—0069-03 EXPERIMENTALSTUDYoNSTAGN'IoN PRESSUREoFPULSEJET WANGLe—-QinJIAOLeiXURu—-LiangLIJiang—-Yun ((InstituteofChemicalMachinery,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China) AbstractThepulsecharacteristicanddistributionsofstagnationpressureproducedbypulsej et impingingplatewasinvestigated,andtheinstantaneouschangeofstagnationpressureweree xperi— mentallydeterminedunderdifferentconditions.Theeffectofnozzlediameterd,nozzleexpor t—speed Vandnozzle—to— platespaceHonstagnationpressurewasanalyzed.Throughthecomparisonofpulse jetandcontinuousjet,thefollowingconclusionsweredrawn.Thestagnationpressureofpulse jetwas muchgreaterthanthatofcontinuousjet.Thedurationofpeakvaluepressureincreasedwithd. The peakvalueofstagnationpressurehaddirectratiowithVandreverseratiowithH. Keywordspulsejet;stagnationpressure;self-excitingoscillation 1—1L——一 上日IJ舌 脉冲射流是一种新型,高效的射流技术.同连 续射流相比,脉冲射流通过间歇式水锤压力冲击在 靶物表面产生的冲击压力大大超过了一般连续射流 的滞止压力,可以显着的减小冲击比能【川.目前, 国内外基于不同机理的脉冲射流发生 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 很多,其 中自激振荡脉冲射流靠流体本身在合适的流体结构 中的自激振动而产生脉冲射流,因具有结构简单, 无附加外驱动机构和无动密封等优点而受到关注. 但由于喷嘴内流场的复杂性[引,喷出射流受很多因 素影响,因此很难对不同参数下的射流性能做出统 一 的评价,限制了自激振荡脉冲射流的发展.相对 于连续射流打击力的理论和试验研究,脉冲射流在 这方面的研究还相当有限,在已有研究中_3J,打击 力的测试只是为了简单评价射流的脉冲效果,方法 以测量射流垂直冲击平板的面作用力为主. 本文通过自行研制的自激振荡脉冲射流发生装 置,对不同参数下脉冲射流冲击靶盘时驻点压力进 行全面测量,?研究了驻点压力脉冲特性和沿程变化 特性,为脉冲射流的工程应用提供依据. 2试验装置 射流驻点压力的测试系统如图1所示,主要由 自激脉冲喷嘴,测压靶盘,应变片式压力变送器和 数据采集系统组成.为保证试验测量的准确性,需保 持射流中心与测压靶盘中心具有较高的同轴度,因 此将自激脉冲喷嘴固定夹持,并保持射流的水平方 向,测压靶盘可沿射流轴向前后移动以改变靶距, 收稿日期:2003-1203;修订日期:2004—10—16 基金项目:浙江省自然科学基金重大资助项目(No.ZE0208) 作者简介:王乐勤(1948一),男,山东聊城人,教授,博导,主要从事流体机械 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 /成套 装备技术研究 70工程热物理学报26卷 且每次靶距改变时,应使靶盘沿垂直射流方向上下 移动,在压力变送器读取到最大值时将其固定.为 测量冲击射流场中的驻点压力瞬时值,在射流冲击 靶盘的中心点处钻孔(直径1mm左右),小孔后直 接连接压力变送器,试验中测得的瞬时压力值经压 力变送器转化为电压信号传输到由计算机控制的数 据采集系统中. 2 \f/ff —— H—— \,; 一—1 l,自激脉冲喷嘴;2,冲击射流 3,测压靶盘;4,压力变送器 图l驻点压力测定 3试验参数及处理方法 影响脉冲射流打击力的主要因素有喷嘴直径 d,靶距日(如图1所示),喷嘴出口流速.其中d 和日可直接测得,而喷嘴出口流速取平均速度,通 过测量喷嘴入口流量q换算求得:V=4q/(~d), 各因素比较分析发现,采用比值H/d可以反映靶距 对不同喷嘴直径的影响,具有更广泛的适应性,因 此定义无量纲量=H/d来代替靶距的绝对值进行 分析;喷嘴出口流速和喷嘴直径d共同反映了射 流的初始边界条件,是一对很重要的参数,分别予 以考察容易忽略两者之间的联系,因此选择以喷嘴 直径d为定性尺寸的雷诺数Re=V?d/作为反映 射流初始边界条件的另一无量纲量,其中代表水 的运动粘度. 试验中无量纲量的变化范围选定为: = 1560;Re=(0.962.06)×10. 喷嘴直径d的变化通过更换不同直径的喷嘴帽 来实现,共设计4种规格的喷嘴帽(d--15,17,18, 19mm).喷嘴出口速度的调节通过截止阀调节 入口流量来实现.各参数的相对变化按正交试验准 则设计安排【,如表1所示: 表1因素及变化水平汇总表 l2345678 181920.1222.832.936.140.648.3 4试验结果及分析 4.1驻点压力脉冲频率特性 实测了4种喷嘴直径(d=15,17,18,19mm), 流量(q)介于5.769.36m./h下驻点压力的瞬时变 化.为了便于比较,选择相同的靶距上同一喷嘴直 径在不同Re数下驻点压力随时间的瞬时变化情况 进行分析(如图2). 5 4 3 \ 2 l O 3842465O545862 时间/S (a) ; ; 2 5 4 3 \ 2 1 O (b) (C)(d) 图2不同喷嘴直径的驻点压力历时变化 从图中可以看出,驻点压力呈现比较规则的周 期性变化,体现了自激脉冲发生装置良好的脉冲效 果,根据驻点压力时域变化的这种特性,可以将其 分为峰值压力和谷值压力,峰值压力是自激脉冲喷 嘴产生的水锤压力作用于靶盘的结果,这是对于清 洗和破碎起决定性作用的部分,而谷值压力是水锤 压力过后的压力回落过程,压力下降便于冲击表面 的碎屑剥落,可以提高脉冲射流的冲击效果.其中 峰值的大小,持续时间和频率是我们关心的问题. 对不同参数下的驻点压力比较分析可以得出: (1)相同喷嘴直径下,驻点压力峰值随Re数增 高而增高,而峰值出现频率随Re数增高略有下 降,而每次峰值压力作用时间有所增加,这是由于 低Re数时,喷嘴出口处湍流度不大,湍流中的脉动 量幅度减小,频率升高,从而产生上述现象. (2)不同喷嘴直径下,驻点压力的峰值持续时间 随增大而增加,存在最佳喷嘴直径使驻点压力峰值 最高,本试验条件下d=18mm(Re=1.354×10) 时,峰值压力最高. 1期王乐勤等:脉冲射流作用下驻点压力特性的试验研究71 4.2各参数对驻点压力峰值得影响 脉冲射流条件下驻点压力周期性变化,不同参 数下驻点压力峰值的沿程变化如图3所示,同时对 不同喷嘴下驻点压力随Re的变化关系进行了比较 分析(如图4). 篓 30 2O253O35404550 图3驻点压力沿程变化 60 5.0 4.0 \ 3.0 2.0 1.0 101.21.41.6 Re/xl0 图4驻点压力随Re的变化 从图3看出驻点压力峰值随的增大而减小,其衰 减特性与连续射流相似,同时又具有自己的特点: 驻点压力沿程衰减速度因喷嘴直径而异,d=17mm 喷嘴驻点压力峰值沿程衰减幅度最小,而且都处于 较高的水平,15mm喷嘴次之,18mm喷嘴驻点峰 值压力变化曲线最陡,但其近程打击力峰值最高. 结合其频谱特性,可以得出:高频脉冲射流沿程衰 减较缓,利用脉冲射流打击中远程靶物时可以考虑 提高脉冲射流频率;大振幅脉冲射流可以产生很高 的峰值打击力,但是沿程衰减较快,在利用脉冲射 流近程作业时,可适当降低频率以提高脉冲射流的 振幅. 4.3数学回归分析 对脉冲射流冲击平板产生的驻点压力峰的进行 回归分析,得驻点压力峰值为: PII1=CoRe./入.(1) 式中与OL均为常数,与喷嘴出口处的速度分 布有关,OL与喷嘴形状有关,根据试验数据可得: Co?6—10,对试验中的圆形喷嘴可取OL=1.由 此可以看出,影响P的主要因素是Re和入,而且 同一喷嘴下随Re增大而增大,随增大而减 小,这与试验得出的规律一致. 4.4两种射流方式下驻点压力的比较 在相同工况下,将自激脉冲喷嘴换成连续射流 喷嘴(d=15mm和d=18mm),得到了连续射流 下驻点压力随Re数的变化关系,通过图5比较可 以看出,脉冲射流下驻点压力峰值要远高于连续射 流(是连续射流的410倍),且脉冲射流下驻点压 力随Re的增长斜率要远高于连续射流,说明脉冲射 流下,提高喷嘴出口Re数可比连续射流更有效的增 强射流打击力. 图5两种射流方式驻点压力比较 5结论 (1)驻点压力峰值持续时间随喷嘴直径增大而增 长,存在最佳喷嘴直径会产生较好的激振效果,本 试验中d=17mm(Re=1.44×10)时驻点压力脉冲 效果最好,而d=18ram(Re=1.354×10)时,驻 点压力振幅最大,峰值压力最高. (2)驻点压力沿程衰减幅度囚喷嘴直径而异, d=171Tim喷嘴驻点峰值压力沿程衰减幅度最小,而 且都处于较高的水平,d=15mm喷嘴次之,d=18 mm喷嘴驻点峰值压力沿程衰减幅度最大. (3)利用二元回归分析得到了同一喷嘴直径下, 不同射程,不同流速的峰值压力的经验计算关系式 (1),分析表明,关系式能够较好反映主要参数对驻 点压力峰值的影响. (4)脉冲射流下驻点压力峰值远高于连续射流的 打击力,打击力要提高4—10倍. 参考文献 [1]唐川林,廖振方.自激振动脉冲射流装置的理论分析和试 验研究.煤炭学报,1999,14(1):90—100 [2]RockwellD,NaudascherE.Review—self-SustainingOscil— lationsofFlowPastCavity.FluidEngineering,1978, 100(2):283—305 [3]KingJL,DoyleP,OgleJB.InstabilityinSlottedWall Tunnels.FluidMesh.,1958,4(2):283—305 [4]高允颜.正交及回归试验设计方法.北京:冶金工业出版 社,1958 [5]董志勇.冲击射流.北京:海洋出版社,1997