轴对称腔体诱导空化振荡射流的机理研究
  • 【摘要】

    流体掠过腔体诱导自激振荡流动是自然界和流体工程中普遍存在的非定常流动现象,也是流体力学研究的重要内容之一.利用轴对称腔体诱导自激空化振荡射流是水射流工程中基于这一原理的重要应用,可以显著提高水射流的工作效率.但是其流体动力学特征和机理目前尚不完全清楚,试验研究轴对称腔体内部水射流的流动特征是解决这一问题的基础.因此,本文采用试验研究与数值模拟相结合的方法对轴对称腔体诱导空化振荡射流的流动机理进行了... 展开>>流体掠过腔体诱导自激振荡流动是自然界和流体工程中普遍存在的非定常流动现象,也是流体力学研究的重要内容之一.利用轴对称腔体诱导自激空化振荡射流是水射流工程中基于这一原理的重要应用,可以显著提高水射流的工作效率.但是其流体动力学特征和机理目前尚不完全清楚,试验研究轴对称腔体内部水射流的流动特征是解决这一问题的基础.因此,本文采用试验研究与数值模拟相结合的方法对轴对称腔体诱导空化振荡射流的流动机理进行了研究.通过试验观测轴对称腔体内空化振荡射流流动特征和流动形态,发现轴对称腔体内部存在非淹没射流和淹没射流两种状态,低频振荡射流流动现象仅发生在非淹没射流状态.总结得到了非淹没射流条件下发生低频振荡的几何条件和雷诺数(Re)范围,以及无量纲频率St数范围;提出发生低频振荡的机理是腔体内流体物质量的射流卷吸和剪切层碰撞反馈达到动态平衡.腔体内淹没射流状态时,腔体内的流动形态随工作射流Re变化分为四个阶段:射流剪切层的空化初生和发展、腔体内空化形态突变、相对稳定空化状态和不稳定空化状态.工作射流Re增大过程发生空化状态突变的临界Re大于工作射流Re减小过程的临界Re,两者之间存在滞后效应,且临界Re与腔体长度变化为线性关系,前者斜率大于后者.基于试验测量的边界条件,采用大涡模拟方法和Schnerr-Sauer空化模型对轴对称腔体内Re=2*105,σ=0.59工况淹没射流的初生空化流动进行了数值模拟,计算结果与试验结果吻合较好.计算结果显示:剪切层内的空化泡呈现细长的"米粒状",空化泡溃灭引起腔体内出现瞬时的显著压力波动;由于射流轴对称碰撞剪切层作用,腔体内的射流结构发生偏转,剪切层厚度非线性扩散;腔体内工作射流与环境流体混合作用最强的区域出现在5≤x/d1≤7区域的半宽度附近.为深入理解碰撞剪切层诱导自激振荡流动,本文进一步利用大涡模拟方法数值模拟了矩形腔体的碰撞剪切层流动,准确的捕捉到了剪切层内压力波动主频的变化规律.引起自激振荡流动的原因有三个,一是剪切层内的涡与碰撞边界的相互作用,二是腔体内大涡结构的离心不稳定性,三是腔体内驻波的存在.剪切层内线性区域到非线性区域的过渡出现在x/H=0.7位置,并且线性区域的斜率是腔体长度的函数,而与来流速度无关,随着腔体长度的增大,斜率减小. 收起<<

  • 【作者】

    王玉川 

  • 【学科专业】

    动力工程及工程热物理

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    清华大学

  • 【导师姓名】

    曹树良%高传昌

  • 【学位年度】

    2014

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    轴对称腔体%自激振荡%空化振荡射流%碰撞剪切层%流动机理