附壁射流元件的仿真研究

　　引　　言

　　射流元件是以流体为工作介质且本身无可动部分的流体器件,其种类很多,而附壁射流元件是其发展的重要方向,它利用射流的附壁效应进行工作。与其他电子元器件执行机构相比,具有可靠性好、体积小、功率大、成本低,并能适应强辐射、强腐蚀、强振动和强冲击等恶劣工作环境,且不存在电子干扰,因此被应用于核工业、航空航天等领域的某些控制系统。利用附壁射流的可切换特性,可以实现流动控制和流体测量[1],因此也被应用于石油开采的液压激振和射流流量计[2]等方面。

　　附壁射流元件内部的流场复杂,存在多尺度漩涡,并伴随流动分离;主射流在强弱涡流的共同作用下实现偏转[3]、附壁。本文利用计算流体力学(CFD)技术,研究附壁射流元件的流动性,发现元件的偏转特性受几何结构和雷诺数共同影响,所用方法和所得结论可为此类射流元件的发展和应用提供依据。

　　1　结构和原理

　　附壁射流元件在壳体内设置两块渐扩的侧壁,如图1所示,流体由射流喷嘴进入形成主射流。由于射流的扩散和卷吸作用,在主射流边缘形成局部压力损失,当主射流两侧的压力损失不均衡时,主射流发生偏转,形成附壁效应[4]。设置无量纲偏转时间T,并且有关系式

　　无量纲偏转时间T反映了流动的非定常特性。T数值较大表征元件的偏转特性较弱,反之则趋于不稳定,偏转特性表现明显。

　　在附壁射流元件的空腔内对称地设置两个压力监测点,在数值计算过程中,流场初始化为压力场,数值大小等同于压力入口的量。随着流动的发展,某一时刻,当两个监测点压力发生变化时,即一监测点压力明显增大,另一监测点压力明显减小,则主射流发生偏转,记录下偏转时间,作流场分析。

　　2　数学模型

　　主射流的运动特性可以用二维坐标来描述,并假设通过射流元件的流体为不可压缩粘性流体,对不同几何结构和不同雷诺数的流动进行数值计算。依据量纲分析理论,写出一般函数关系式

　　选用b,v和ρ为独立变量,由量纲分析可以得到

　　用这些无量纲量及其之间的函数关系来表示式(3)的函数关系,可以得到

　　在附壁射流元件中,重力不影响流场,低速马赫数小,因此重力和压缩性对流动特性影响较小,而粘性阻力,压力,惯性力以及流动的非定常性对流动的影响较大。故式(4)可简化为

　　由扩散和卷吸形成的局部压差,也可以归结为由局部阻力引起的压力损失,其计算公式为