多管反馈式流体振荡器性能研究.pdf

第51卷第8 期2023年8 月化学工程CHEMICAL ENGINEERING(CHINA)Vol.51 No.8Aug.2023多管反馈式流体振荡器性能研究刘学武，闫朋泽，葛相国，吾特库尔努尔买买提，胡大鹏（大连理工大学化工学院，辽宁大连116 0 3 3）摘要：为研究多管反馈式流体振荡器的内部流动过程和振荡性能，采用CFD数值模拟对流动过程以及控制段长度和膨胀比对不同出口振荡性能的影响进行研究，并辅以实验验证。结果表明：振荡腔内部低压区和反馈射流共同推动射流附壁切换；增大反馈段长度或降低膨胀比都将使不同出口射流对应的振荡频率减小；反馈段长度对不同出口压力保持率影响不大，膨胀比为2 时，最大差值不超过7%；膨胀比越小，出口压力保持率越大，当反馈段长度为10 0 mm时，最大差值可达3 1.57%。实验结果验证了模拟规律，但由于实验偏差导致实验数值偏低，振荡频率和压力保持率实验值比模拟值最大分别低18 4.6 4Hz和2 1.19%。关键词：计算流体力学；反馈式射流振荡器；多管；振荡频率；压力保持率中图分类号：TQ021.1D0I:10.3969/j.issn.1005-9954.2023.08.009Performance of multi-tube feedback fluid oscillatorLIU Xuewu,YAN Pengze,GE Xiangguo,NUERMAIMAITI Wutekuer,HU Dapeng(School of Chemical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116033,Abstract:To study the internal flow process and oscillation performance of a multi-tube feedback fluid oscillator,CFD was used to simulate the flow process and the effects of control section length and expansion ratio on theoscillation performance at different outlets.It was also verified by relevant experiments.The results show that the lowpressure region inside the oscillating cavity and the feedback jet together drive the switch of the jet attached to thewall.Increasing the length of the feedback section,or decreasing the expansion ratio,the oscillation frequency of thedifferent outlet jets is reduced.The length of the feedback section has little effect on the different outlet pressureretention rates,and the maximum difference does not exceed 7%for an expansion ratio of 2.The smaller the expansionratio,the greater the outlet pressure retention.The maximum difference is up to 31.57%,when the length of thefeedback section is 100 mm.The experimental results verify the simulation law,but the experimental deviations leadto low experimental data.The maximum experimental values of oscllation frequency and pressure retention rate areup to 184.64 Hz and 21.19%lower than simulation values,respectively.Key words:computational fluid dynamics;feedback jet oscillator;multi-tube;oscillation frequency;pressure流体振荡器以Coanda效应 和卷吸效应2 为游，引起主射流的扰动实现脉动振荡。反馈式流体原理，通过自身特定结构使定常射流发生周期性的振荡器可以获得更高频率的振荡射流，从而引起广振荡从而获得脉冲振荡射流。脉冲振荡射流的破泛关注。碎、冲刷与混合能力要强于稳定射流，已广泛应用于杨军8 通过研究证明压比越大,反馈管参数的流量控制3 、传热4、混合5 等领域。反馈式流体变化对振荡频率的影响越小，同时分流劈距、劈角以振荡器6-7 通过反馈管将射流下游流体引到射流上及侧壁角均会影响射流的总压损失；Wang等9 发收稿日期：2 0 2 2-12-0 4；修回日期：2 0 2 3-0 3-3 0基金项目：国家重点研发计划（2 0 18 YFA0704601）；国家自然科学基金资助项目（2 17 7 6 0 2 9）作者简介：刘学武（19 7 4一），男，博士，副教授，研究方向为气波制冷技术与装备、天然气净化工艺、固态合金储氢，电话：13 0 7 417 2 2 6 6，E-mail liuxuewu 。文献标志码：ALiaoning Province,China)retention rate文章编号：10 0 5-9 9 54(2 0 2 3)0 8-0 0 44-0 5刘学武等多管反馈式流体振荡器性能研究现两控制口之间的压差及两分支流道之间的压差共同影响射流振荡频率,且推导出了反馈管长度与射流振荡周期之间的关系。毛芹10 采用三维模型研究了压力和流速随时间的变化关系，并且得出供气压力与振荡频率的关系。别海燕等 采用三维模型得到在反馈管不同平面内的质量流率也呈周期性变化,且其频率与振荡器振荡频率一致。多管反馈式流体振荡器就是增加振荡射流的出口管路以提高振荡射流的利用率，它也是静止式气波制冷机12 的关键部件，可用于天然气脱水净化、轻烃回收13 。为了解决多管反馈式流体振荡器各个出口管路受气不均匀，以及反馈式气波制冷机处理量低、等制冷效率低等问题，需要对多管反馈式流体振荡器进行研究。1数值模拟1.1数值计算模型多管反馈式流体振荡器的计算模型和主要结构参数如图1所示，在实验时振荡器是亚克力板内雕刻制作，流道深宽比足够大，且三维模型计算量大，因此将流动简化为二维模型。为了保证多管反馈式流体振荡器能够稳定振荡,经过大量模型模拟后,将其主要的结构参数及数值定为：喷嘴宽度w=3mm;位差s=2mm;直段长l=2mm;劈角=10;反馈段长度L。、劈距h、上反馈口宽L、下反馈口宽L2、单位均为 mm,其中 L,=2Lz进口WSL出口A图1多管反馈式射流振荡器计算模型Fig.1 Calculation model of multi-tube feedback jet oscillator1.2数值计算方法数值模拟采用可压缩理想气体，其相对分子质量为2 8.9 6 6，比定压热容为1.0 0 6 kJ/（k g K），热导率为0.0 2 42 W/mK），初始温度设置为3 0 0K当射流稳定振荡时，通过喷嘴最小截面的质量流量为3 kg/s。多管反馈式射流振荡器的入口和出口分别为压力入口和压力出口，环境压力设置为12 0kPa,其余设置为固壁边界条件。.45多管反馈式射流振荡器内流动为可压缩流流动,由于喷嘴射流湍流的各向异性，采用Realizablek-8流模型，以有限体积法对控制方程进行离散14。扩散项选取计算效率高、二阶精度的中心差分格式，收敛较快。对流项为各向异性，为避免数值振荡，采用迎风格式中的Roe通量差分分裂的MUSCL格式进行离散，以二阶全隐式时间步进行送代15。1.3网格无关性验证使用Mesh软件对多管反馈式流体振荡器进行结构化网格划分。为排除网格大小的影响，以流体振荡器进口压力到出口1压力的压降作为指标，将网格最大尺寸分别设置为0.4、0.3、0.2、0.1mm。如图2 所示，当网格最大尺寸为0.2 mm时，再减小网格尺寸,压降变化不大且计算时间过长，因此将网格最大尺寸定为0.2 mm，此时网格数量N为161 284。240230F220F200F190F1800Fig.2Grid-independence verification1.4性能指标射流振荡器的振荡性能评价指标为射流振荡频率f和出口压力保持率K。射流振荡频率f为振荡周期的倒数，出口压力保持率K为振荡器不同出口流道总压均值po与振荡器人口总压p;的比值,K越接近1,损失越小。2数值模拟结果分析2.1多管反馈式振荡器内部流动分析图3 是多管反馈式射流振荡器内部，人射射流附壁切换的总压云图。人射射流在经过喷嘴进人振荡腔后,先附于一侧壁面（a）,射流末端一部分射流进入反馈管中形成反馈射流，推动射流进行附壁切换(b）,最终射流附在另一侧壁面（c）。在图3（b)中存在一个低压区,此低压区随着射流的摆动逐渐变大,也推动射流的附壁切换,因此反馈射流和振荡投稿平台Https:/.1图2 网格无关性验证2N/1064546腔内低压区共同推动射流附壁切换。从图3(b)中也可以看出，人射射流前端附壁后，由于流体的惯性作用射流末端尚未完全附壁，此时人射射流的末端会依次扫掠振荡器的各个出口最终完全附壁。因此,与双管反馈式振荡器不同,多管反馈式振荡器会出现附壁侧与射流出口不同侧的现象。p/Pa3.840E+053.429E+053.018E+052.608E+052.197E+051.786E+051.375E+059.646E+045.538E+041.430E+04(b)附壁切换图3 射流附壁切换总压云图Fig.3 Total pressure cloud diagram of jet attachment wall switching在反馈管中也会出现低压区，此低压区主要集中在反馈管人口弯心处，如图4所示。L,=3 mmL,=6 mm图4反馈管中低压区Fig.4Low pressure area in feedback tube当主射流进入宽度较大的反馈管中时，会出现欠膨胀效应，反馈管人口下部压力大而上部压力小，这样在反馈管中就形成了低压区。反馈管中低压区的存在会产生回流现象，如图5所示，当人射射流完化学工程2 0 2 3 年第51卷第8 期成附壁切换时，由于低压漩涡的影响，压力差将会改变反馈段内射流的初始运动方向，将其吸回振荡腔内，造成回流现象。回流现象会使进人反馈管中的射流能量减少，影响射流附壁切换过程，从而影响射流振荡性能。图5反馈管中的回流现象(a)射流附壁Fig.5Reflux phenomenon in feedback tube低压涡2.2反馈段长度和膨胀比的影响反馈段长度L。会影响反馈射流能量的大小,对振荡性能产生影响。由于结构的对称性，只对左侧3个出口的振荡性能进行分析。如图6 所示，当反馈段长度大于10 0 mm时,随着反馈段长度的增加，3个出口的射流振荡频率都是在减小的。以膨胀比e=2为例，当反馈段长度从10 0 mm增加到3 0 0mm时,3 个出口的射流振荡频率分别减至18 6.0 8、(c)重新附壁189.77、19 0.9 5H z。当反馈段长度为50 mm时，射流末端尚未完全附壁,射流附壁前端已经在低压区和反馈射流的推动下向相反方向运动，这会影响不同出口的振荡频率。因此在保证各个出口射流规律性的前提下，反馈段长度越短，射流振荡频率也越大。700r600F500ZH400F300F200F100450图6 反馈段长度对振荡频率的影响Fig.6 Effect of feedback length on oscillation frequency当反馈段长度L。一定时，膨胀比越大射流振荡频率于也越大。但是随着反馈段长度的增加，这种.+投稿平台Https:/+.速度方向改变e2.出1一2.出日2+2出口3-5.出口1-5.出口2-5,出口31001502200250300L/mm72刘学武等多管反馈式流体振荡器性能研究差值在缩小，当反馈段长度L。从10 0 mm增加到300 mm时,随着膨胀比e 的增大,振荡频率最大增值由10 6.8 1Hz缩小到3 5.40 Hz。这是因为随着膨胀比增大，人射射流的速度增加,反馈射流的速度也随之增大，出口振荡频率就高。但随着反馈段长度增加,反馈射流能量损失也大,不会引起频率的大幅改变。从图7 可以看出,反馈段长度对3 个出口的压力保持率影响不大。其中出口1的压力保持率最大，出口3 的压力保持率最小。当膨胀比为2 时，随着反馈段长度的增加，3 个出口的压力保持持率最大差值不超过7%。当反馈段长度一定时，膨胀比越小，出口的压力保持率越大。当反馈段长度为100mm时,不同膨胀比下3 个出口压力保持率最大差值可达到2 4.3 8%、3 1.57%、2 5.0 2%。分析原因在于膨胀比增大时，人射射流的流量及速度都会增加,振荡器内流体之间的相互作用过程也变得更加剧烈，因此会造成较大的压力损失。70F6050个4030201050图7 反馈段长度对压力保持率的影响Fig.7 Effect of feedback length on pressure retention rate3实验结果分析3.1实验装置与流程实验流程如图8 所示，其中所用多管反馈式流体振荡器如图9（a)所示，材料为亚克力板,在其内部雕刻出气体流道，其结构尺寸与模拟结构尺寸一致；压力传感器如图9(b)所示，其采集频率为50 0 0kHz,采用不同长度的软管调节形成不同反馈管长的流体振荡器。为了与模拟数据比较,以验证模拟结果的准确性，实验时也采集左侧3 个出口的压力变化曲线。实验时调节已经充满空气的压缩机阀门获得相应的膨胀比要求,压力传感器收集振荡器不同出口的数据后储存在数据采集板，再经公式转化后得到不同出口处气体的压力变化曲线，根据压力变化曲线计47算不同出口的振荡频率及压力保持率。数据采压力传感器电脑集板储气罐压缩机图8 实验装置流程Fig.8 Flow chart of experimental setup(a)多管反馈式流体振荡器图9 实验设备实物图Fig.9 Physical diagram of experimental equipment3.2实验结果分析图10 所示为相同条件下模拟和实验出口压力e，出口2.35,32.2-5,2100150L./mm投稿平台Https:/.多管反馈式振荡器节流阀(b)压力传感器波形对比图。由图可知相同条件下实验所测波形与模拟波形变化趋势一致，可说明模拟条件与结果的200250300可靠性。图中横坐标T为周期数。0.30r一摸拟波形-实验波形0.25FedN/d0.20F0.15F0.10%图10 模拟与实验出口压力波形对比Fig.10Comparison of simulated and experimentaloutlet pressure waveforms如图11所示,膨胀比为2 时,随着反馈段长度的增加,不同出口的振荡频率在降低,这与模拟规律保持一致。但实验中所得各个出口的振荡频率都偏低，当反馈段长度为10 0 mm时,3 个出口的实验值比模拟值分别低18 1.47、17 0.9 8、18 4.6 4Hz。但随T48着反馈段长度的增加，实验值与模拟值的频率差值在减小。图12 为膨胀比为2 时,不同出口的压力保持率随反馈段长度的变化曲线，当反馈段长度为150mm时,3 个出口的压力保持率实验中与模拟值的差距最大，分别为2 1.19%、12.12%、10.42%。170160150140130120F110F100100图11反馈段长度对不同出口振荡频率的影响Fig.11Effect of feedback segment length on differentoutlet oscillation frequencies48F47F4645上43424140%00图12 反馈段长度对不同出口压力保持率的影响Fig.12Effect of feedback section length on different outletpressure retention rates分析实验值低于模拟值的原因有3 个：1）模拟时采用可压缩理想气体，而实验时所用的是真实压缩空气，由于分子之间的相互作用,振荡过程中的能量损失要更多；2）人为操作实验设备可能会造成一定误差,且压缩机与振荡器的连接处,振荡器与反馈管的连接处都可能造成能量损失，进而对实验值的大小产生影响；3）实验所测为出口动压值，模拟的出口压力为静压值，动压压力值要小于静压压力值。4结论（1)反馈管内能量的大小和振荡腔内的低压区共同推动射流附壁切换，反馈管入口低压区会引起反馈射流回流到振荡腔内,影响振荡性能。(2)研究范围内反馈段长度对射流振荡频率的影响最大可达19 0.9 5Hz,膨胀比的影响较小。化学工程2 0 2 3 年第51卷第8 期大差值可达3 1.57%，反馈段长度的影响较小。（4)实验验证了模拟规律，尽可能减小实验偏差，会得到更接近模拟数据的实验数据。参考文献：出口11BARDIA A,SARAF R,MASLOW A,et al.The coanda出口2effect J.Anesthesia and Analgesia,2016,123（3):出口3582-584.2禹言芳，李春晓，孟辉波，等.不同形状喷嘴的射流流动与卷吸特性J.过程工程学报，2 0 14，14（4）：549-555.3TOMAC M N.Novel impinging jets-based nonperiodicsweeping 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