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振荡射流研究进展.pdf
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1、文章编号:1672-9897(2023)04-0001-17doi:10.11729/syltlx20230022振荡射流研究进展吴梦维1,徐敏义2,*,米建春1,2,*1.北京大学工学院,北京1008712.大连海事大学轮机工程学院,大连116026摘要:振荡射流可有效增强喷射流体与周围流体的相互作用,在能源、化工、航空航天、精密制造等领域有着重要应用价值,受到国内外学者广泛关注。为更好地了解振荡射流发展现状及未来发展趋势,本文对微射流、机械式、反馈式、钝体V 形喷嘴、冲击 V 形板、腔体自激拍打、薄膜自激拍打等 7 种激励方式的振荡射流进行了全面归纳与分类,对比分析了不同激励方式的原理及其
2、产生的振荡射流特性,指出了振荡射流技术存在的问题及工业应用的局限性,预测了其发展前景并给出了发展建议。关键词:振荡射流;流动控制;射流混合;自激振荡中图分类号:O358文献标识码:AA review on the development of oscillating jetsWU Mengwei1,XU Minyi2,*,MI Jianchun1,2,*1.College of Engineering,Peking University,Beijing100871,China2.Marine Engineering College,Dalian Maritime University,Dali
3、an116026,ChinaAbstract:Theflowcontrolmethodcaneffectivelypromotethemixingoftheinjectedfluidwiththesurroundingfluid,andithasimportantapplicationsinvariousfields,suchasenergy,chemical industry,aerospace and precision manufacturing,etc.Therefore,it has receivedwidespreadattentionfromscholarsworldwide.I
4、nordertobetterunderstandthecurrentsituationand future development trend of oscillatory jets,this paper is the first to comprehensivelysummarize and classify the seven excitation methods of oscillatory jets,such as microjet,mechanical,feedback,blunt V-nozzle,impact V-plate,cavity self-excited flappin
5、g,film self-excitedflapping,etc.Acomparisonoftheprinciplesofthedifferentexcitationmethodsandthecharacteristics of the resulting oscillating jets is conducted,pointing out the problems of theoscillating jet technology itself and the limitations of the industrial application of relatedtechnologies,and
6、 giving forecasts and suggestions for the development of the oscillating jettechnology.Keywords:oscillatoryjet;flowcontrol;jetmixing;self-excitedoscillation 0 引言射流控制技术在流动分离1-2、流体混合3-4、对流换热5-6和微流量测量7-8等多个领域发挥着重要作用,是流体力学领域的热点研究方向之一。自然未经控制的射流分直流和旋流 2 种,前者初始只有轴向动量,而后者初始不仅有轴向动量,还有横向动量或角动量。直流射流在近场区横向交换输运慢
7、,很难与周围流体快速混合,无法满足一些工业过程的需求9-11。要使直流射流实现有效的横向卷吸和流体混合,需在喷嘴出口或上游实施某种控制使射流有横向动量或角动量,使之横向间歇式和周期性地收稿日期:2023-03-02;修回日期:2023-04-28;录用日期:2023-05-12基金项目:国家自然科学基金项目(11972048)*通信作者E-mail:;引用格式:吴梦维,徐敏义,米建春.振荡射流研究进展 J.实验流体力学,2023,37(4):1-17.WUMW,XUMY,MIJC.AreviewonthedevelopmentofoscillatingjetsJ.JournalofExperi
8、mentsinFluidMechanics,2023,37(4):1-17.第37卷第4期实验流体力学Vol.37,No.42023年8月Journal of Experiments in Fluid MechanicsAug.,2023“动起来”。例如,让射流做振荡12-15、拍打16-17、旋转10,18、旋进动19-21等运动,这里将以上射流统称为振荡射流(oscillating jet)。从本质上讲,振荡射流是一种双稳态的流动,这意味着在一定的参数范围内,流动可以在 2 个不同的稳定状态之间转换。这种双稳态流动在随机的扰动下会趋于其中一个稳态,从而产生周期性的自激振荡行为。为探索振荡射
9、流的运行机制,大量学者通过实验和理论分析的方式对振荡射流进行了研究22-27。Rockwell 等22-23详细综述了自激振荡在湍流自由剪切层中的表现,发现在振荡射流中,不稳定性通常源于剪切层的形成和发展。当流动经过喷嘴时,高速气流与静止气流之间的剪切作用导致了剪切层的生成。随着流动的发展,剪切层中的扰动逐渐放大,从而导致 KelvinHelmholtz 不稳定性的出现。这种不稳定性使流动中的涡旋结构发展并相互作用,导致流动在不同的稳态之间转换24-25。同理,如果进行特定的结构设计或人为在喷嘴出口施加扰动便可以控制自激振荡射流的形成和发展。进一步,Juniper26探讨了限制条件对射流稳定性
10、的影响,发现限制条件不仅会导致振荡射流的产生,还会对其振荡频率和幅值产生影响。此外,El-hak27对几种常见的流体控制方法(包括自激振荡射流及其作用机制)进行了详细的阐述,发现对射流进行高效控制有助于提高燃烧效率和降低噪声。20 世纪 7090 年代,涌现了大量射流控制方面的研究,包括主动和被动控制技术28-36,如进行主动控制的音频激励28和涉及移动部件的机械式激励29-31等。需要指出的是,虽然已经证明这些主动激励控制技术在实验室中对射流流动机理和混合特性的基础研究非常有效,但控制装置的大小、重量及其对运行条件和日常维护的严格要求极大限制了它们的工业应用,特别是在涉及高温燃烧的工业领域。
11、在实际工业过程中,射流控制需要设备操作简单、不涉及移动部件、可适应各种恶劣条件,并且效率高、能耗低。鉴于此,多种被动控制的自激振荡射流喷嘴应运而生,例如反馈式射流喷嘴10,32、旋进式射流喷嘴11,33、振荡射流喷嘴34-35、拍打射流喷嘴17和“哨声”喷嘴36等。这些射流装置可自发诱导射流周期性振荡,使射流变为自激振荡射流。另外,有些自激振荡射流装置可以通过改变喷嘴几何结构(如大小、比例尺度)来改变射流振荡频率,从而改变射流的流动特性37。大量实验11,33-38证实:与传统直流和旋流射流相比,这些自激振荡射流显著增强了射流的大尺度混合,有利于优化某些实际工业过程的控制,使之更加节能高效。但
12、这类自激振荡射流装置在实际运行过程中几何结构和尺寸都是固定的,很难随时、任意改变,故其喷射范围和混合特性都无法灵活调节,不适合用于初始运行条件不断变更的工业过程,如变负荷的工业燃烧等。综上,振荡射流是一种具有广阔应用前景和发展潜力的技术,尤其在当前全球能源紧缺,世界各国积极推进“碳中和”的大背景下,振荡射流技术作为一种推进能源高效利用的关键技术,应当受到更多的重视,得到更多的发展。但现有的振荡射流技术,无论是主动控制技术还是被动控制技术都存在一定的局限性,如何发展更高效的振荡射流技术是目前摆在众多研究者面前的问题。在思考这个问题之前,对振荡射流技术的发展现状进行一个全面总结是十分必要的。过去也
13、有学者对振荡射流进行了综述39-41,但是这些文章只涉及到两三种振荡射流的流动数据和应用方面的对比,目前还未见任何综述文章系统地对各种振荡射流进行归纳总结和分类。本文首先对 7 种振荡射流的研究和发展现状进行综述,分析相关技术工业应用的局限性;然后,阐述这些振荡射流的产生方式和部分研究成果;最后,提出振荡射流技术存在的问题及工业应用的建议。1 振荡射流的研究现状与分类 1.1 振荡射流的国内外研究现状国外关于振荡射流的研究开始较早,二十世纪七八十年代经历一段快速发展期后,一些相关技术已经在工业生产中得到应用42-43。斯坦福大学44-47、佐治亚理工学院48-49、新南威尔士大学31和阿德莱德
14、大学50-51等高校在诱导振荡射流方面做了很多原创性工作,为振荡射流的研究和理论分析奠定了基础。新南威尔士大学的 Davis31首先提出了利用微射流对主射流进行控制,并研究了微射流的速度和喷嘴直径变化对作用效果的影响,发现了 2 种作用机制。一是微射流速度适中时,主射流未被穿透或严重扭曲,主射流受影响不大。在这种情况下,微射流的作用是提高主射流湍流区的混合率,并使局部速度降低约 30%,主射流速度的减小与微射流速度的二次方和微射流尺寸的三次方有关。二是微射流作用发生在较高的速度下,微射流穿透主射流的势流核心,并引起了主射流截面从圆形到显著扭曲的2实验流体力学http:/变化。但是主射流的局部速
15、度对微射流速度不太敏感,只有当微射流非常靠近主喷嘴出口时,主喷嘴的质量流量才会受到显著影响。斯坦福大学的学者44-47研究了在喷嘴出口处适当结合轴向和周向激励所产生的分叉和喷射射流。在恰当的激励下,射流可以被分成 2 个独立的射流(分叉射流),每个射流携带一半的轴向动量,并以类似于单一射流的方式扩散。也可以产生三分叉射流或者射流爆炸成旋涡环簇的远场流,分叉和爆炸的射流表现出比正常射流更大的混合,具有广阔的应用前景。阿德莱德大学Luxton 和 Nathan21开发的自激旋进动射流喷嘴,以及后来米建春等50-51发明的多种形式(包括微小射流对主射流的初始侧向扰动激励)的振荡射流在工业窑炉中得到了
16、应用。在 2 MW 水泥回转炉上的实际运行测试表明:与传统的多股射流燃烧器相比,自激振荡射流燃烧器降低了约 40%60%的 NOx排放,同时还提高了 8%10%的水泥产量,换言之,节约了燃料的消耗并降低了 CO2的排放。在煤粉燃烧的应用中也发现振荡射流能减少约 30%的 NOx排放,节约 5%的燃料并且大幅缩短着火距离42-43。国内关于振荡射流的研究起步较晚,目前主要是哈尔滨工业大学、国防科技大学、上海交通大学、北京航天航空大学和西北工业大学等高校对振荡射流的机理及其在矢量控制和对流换热等方面的应用做了一些研究。哈尔滨工业大学周裕团队主要研究了不同喷射夹角和频率的侧向微射流激励器(单个或多个
17、)对直流主射流的影响,分析了微射流和主射流的耦合过程以及主要影响物理因素,并且构建了一套自己的控制系统52-55。国防科技大学的罗振兵团队对合成射流控制主射流矢量的过程和机理进行了大量研究,通过研究不同倾角合成射流(单个或多个)对主流矢量的影响,实现了主射流矢量偏转角可控的振荡56-57。上海交通大学刘应征团队在反馈腔体诱导的振荡射流方面做了一些出色的工作,研究了射流振荡器内部几何结构和振荡频率等对流动特性的影响58-61。总体而言,对于振荡射流的研究,前人已经做了大量工作。虽然国内关于振荡射流的研究起步较晚,但是近年来随着航天航空、低碳燃烧等相关工业技术的迅速发展和国家对基础学科发展的逐渐重
18、视,国内相关技术的研究已经基本接近或达到国际先进水平。但是,国内在振荡射流的成果转化方面与国外还存在一定的差距,因此建议国内进行基础研究的同时也应积极推进振荡射流的成果转化及实践应用。1.2 振荡射流激励方式的分类如图 1 所示,产生振荡射流的激励方式主要分为 2 类,分别是主动激励和被动激励。主动激励在运行过程中实时控制振荡模式、大小、频率、相位等;被动激励则指装置结构条件确定的自发性运动激励,它在工况发生变化时无法实时调整。进一步,研究最多的主动激励方式有微射流和机械式 2 种,微射流激励是通过外加装置在主射流的侧面喷射微射流来诱导主射流振荡;机械式则是利用一个机械设备旋转或者周期性运动直
19、接控制主射流进行振荡。被动激励包含 5 类,分别是反馈式、钝体V 形喷嘴、冲击 V 形板、腔体自激拍打和薄膜自激拍打。被动激励振荡射流主动激励微射流机械式反馈式钝体V 型喷嘴冲击 V 型板腔体自激拍打薄膜自激拍打图 1 振荡射流激发方式分类Fig.1 Classification of oscillating jet excitation modes反馈式的激励方式通常被认为是利用反馈腔中的压力波传递来驱动射流的振荡62-64,也有一些学者认为振荡产生的原因是受到了分离涡的挤压65-66。钝体V 形喷嘴的驱动原理和反馈式相似只是结构不同,射流振荡发生的位置在混合腔内67-68;当射流冲击 V
20、形板时会发生周期性的振荡,利用这个原理可以制作微型流量计来检测微流量流动时的流速8;从狭缝喷出的射流进入突扩腔体会诱发射流做自激拍打运动16,21;射流和柔性薄膜互相作用也会引起射流的振荡运动17,38。下文将分别介绍以上 7 种激励方式,为读者了解相关领域发展提供参考。2 振荡射流的主要激发方式 2.1 微射流微射流诱导产生的振荡射流是一种通过交替吹吸周围流体或压缩空气装置产生微射流来诱导主射第 4 期吴梦维等:振荡射流研究进展3流振荡的方式。研究最多的是通过活塞往复运动、压缩空气瓶、音频激励器和腔体内膜片振动产生的微射流。图 2 展示了产生微射流的 4 种主要方式,图 2(a)69通过控制
21、步进电机使活塞在气缸内以近似正弦函数的时间周期函数振荡,进而在出口产生周期性吹吸的微射流。图 2(b)展示了哈尔滨工业大学大周裕团队53常用的一类由压缩空气供应产生的微射流,该微型射流器由电磁阀控制,最大频率可达1 kHz。电磁阀由 05 V 方波信号的直流电源驱动,电源可调节空气喷射频率,最高可达 500 Hz 53-55。图 2(c)70是由音频激励产生微射流的方式,这种方式将扬声器密封在只有一个出口的腔体内,通电后扬声器的纸盘会上下振动在腔体出口产生压力脉冲微射流。有实验表明,由正弦电流音频激励在腔体出口产生的流动也是一种相位延迟的正弦波振荡射流,这类微射流出口的进一步流动描述可参考文献
22、 48-49,71。图 2(d)72是一种产生微射流的新方式,该装置由两端被压电膜片(PZT)隔开的 2 个密封腔体、2 个出口和一个滑块(SB)组成。工作时,压电膜片在电流的驱动下来回振动。当膜片向右运动时,右侧腔体内的流体被压缩排出,同时左侧腔体内的流体开始膨胀并将周围流体吸入腔体;当膜片向左运动时,情况则相反。左右腔体产生的微射流始终有 180的相位差。电机活塞气缸联轴器(a)活塞式69(b)压力罐53编码器微射流供应系统流量控制器喷嘴MFC微射流出口增压室扬声器扬声器微射流微射流(c)音频激励70(d)压电膜片式72PZTSBASJ图 2 微射流产生方式Fig.2 Microjet g
23、eneration modes通过微射流诱导振荡射流时,微射流的出射方向不同,诱导射流的原理也略有不同。如图 3(a)73所示,微射流与主射流之间有一个夹角,此时主射流在横向上的振荡由微射流在横向上的动量交换所诱导。值得注意的是,微射流的速度和尺寸对能否诱导主射流振荡至关重要。在其他条件相同的情况下,主射流和微射流间的夹角发生变化会影响二者交汇的位置,进而对二者的相互作用产生影响73。图 3(b)74展示了微射流平行于主射流的方式,此时微射流的吹吸过程会导致主射流一侧压强降低并发生偏转。另一种则是微射流从喷嘴出口径向作用于主射流,二者是垂直的(图 3(c)54),此时通过控制微射流的大小、个数
24、、相位差等就可以实施对主射流的控制。值得注意的是,图 3(c)所示方式不仅可以产生振荡射流,还可以控制主射流激发多种模态。主流渐缩喷嘴致动器低压区微射流喷嘴654321电磁阀(c)径向射出54(b)平行射出74(a)夹角射出73合成射流模块微射流图 3 侧向微射流与主射流射出方向示意图Fig.3 Schematic diagram of the direction of lateral microjet and mainjet4实验流体力学http:/为了让读者对振荡射流有一个更直观的印象,选取了一些实验流动显示和数值模拟计算的云图进行展示,如图 4 所示。图 4(a)74展示了在主射流上侧有
25、一个可控微射流时(对应图 3(b),一个周期内振荡射流运动的纹影图(t 为时间,T 为时间周期)。可以看出:没有微射流时,主射流基本沿喷嘴轴线方向向下游直流发展。随着微射流的开启,主射流向上偏转,在到达最大偏转角度(约 30)后逐渐恢复至轴线位置。图 4(a)中只有一个微射流在作用,所以主射流只在轴线的一侧进行振荡。如果有 2 个微射流对称布置且相位差设定合适,便可以实现主射流在喷嘴出口的整个范围内进行振荡。图 4(b)69显示了 2 个微射流同步驱动和矢量驱动时的平均动能,当合成射流同步驱动时,在两侧诱导了 2 个关于主射流轴对称的反向涡,射流主体依旧沿轴线向下游发展。图 4(b)右图显示了
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