双腔自激振荡器结构优化分析

刘承婷 尹井奇

摘      要：以双腔自激振荡器为研究对象，通过工程流体模拟软件建立了双腔自激振荡器模型。并且针对不同结构的双腔自激振荡器的自激震荡效果进行仿真模拟，边界条件采用压力入口并且设定初始压力为10 MPa，对比二级谐振腔碰撞角α分别为90°、105°、120°、135°、150°、出口直径d3分别取4.6、5.0、5.4、5.8、6.2 mm、二级谐振腔腔径D2分别取30、35、40、45、50 mm等不同工况进行了仿真分析，通过观测峰值速度，对比速度云图得到双腔自激振荡器最优的结构参数。

关  键  词：双腔自激振荡器;结构参数;仿真分析;峰值速度

中图分类号：TE93        文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）12-2892-04

Abstract： A model of double-cavity self-excited oscillator was established by using engineering fluid simulation software. And the self-excited oscillation effect of double cavity self-excited oscillator with different structures was simulated through taking pressure inlet as boundary conditions and setting the initial pressure of 10 MPa. When the secondary cavity collision angle alpha was respectively 90°， 105°， 120°， 135°， 150°， and outlet diameter d3 was respectively 4.6，5.0， 5.4，5.8， 6.2 mm， secondary resonator cavity diameter D2 was respectively 30， 35， 40，45，50 mm， simulation analysis was carried out. The best optimal structure parameters of the double-cavity self-excited oscillator were obtained by observing peak velocity and comparing the velocity nephogram.

Key words： Double-cavity self-excited oscillator; Structure parameters; Simulation analysis; Peak speed

近幾年来我国大部分油田已经进入开发中后期，油田含水率不断升高，大量油田实验和实践表明，通过周期注水可以大幅度提高油田采收率，而自激振荡器射流喷嘴是可以将连续的射流改变为周期性射流的脉冲发生装置，可以应用于周期注水开发。李晓红等人通过对脉冲射流的设计和原理的分析，初步建立了磨料在射流中的运动模型，设计了一种磨料射流喷嘴[1];杨涵对喷嘴的内部流场进行数值模拟分析，研究喷嘴结构参数对喷嘴性能的影响，在此基础上设计出一种新型集中式旋转空化射流喷嘴[2];刘梓光通过应用瞬态流、水声学和流体共振等理论及流体阻抗法，理论分析了自激振动空化射流与风琴管自激振动空化喷嘴的工作原理、产生强烈自激振动空化射流的风琴管谐振腔的特性、喷嘴内流动特征方程及风琴管谐振腔长度计算公式[3];李浩设计了一种自进式射流喷嘴，并且通过单孔、多空、单孔旋转等流场的分析，从而为优选径向水平喷嘴提供了依据[4];蒋世全等人通过对串联型自激振荡喷射流压力特性的实验研究，得出了提高射流冲击压力的破碎岩石效率的结构[5];然而双腔自激振荡器冲蚀效果明显优于单腔室赫尔姆霍兹;于是本文笔者对双腔自激振荡器进行仿真模拟，通过对不同结构参数的自激振荡器震荡效果对比从而得到双腔自激振荡器的最优结构。

1  几何模型的建立与网格划分

1.1  物理模型的建立

本文以双腔室自激振荡器为模型，结构图见图1，其中水流经过管线由上喷嘴进入一级震荡腔产生初始脉冲再经二级谐振腔震荡并使一级震荡腔来流压力扰动增强从而得到更强的脉冲射流。本文通过三维建模更加直观的进行双腔自激振荡器的内部流场仿真模拟。

1.2  CFD网格划分

根据双腔自激振荡器结构和网格应用情况综合考虑，应用icemCFD软件采用四边形结构网格对双腔自激振荡器模型进行网格划分，结构网格可以很容易地实现区域的边界拟合，对曲面或空间的拟合大多数采用参数化或样条插值的方法得到，区域光滑，与实际的模型更容易接近，所以能更好的处理边界区域，本文模型建立所划分的网格如图2所示。

本文模拟采用的结构参数如下：其中入口直径d1=5 mm;入口到一级震荡腔长度La=5 mm;一级震荡腔长度Lb=15 mm;一级震荡腔腔径D2=35 mm;一级震荡腔与二级谐振腔之间管路直径d2=10;直径Lc=5 mm;二级谐振腔腔长Ld=20;二级谐振腔腔径D2分别取30、35、40、45、50;二级谐振腔碰撞角α分别取90°、105°、120°、135°、150°;出口直径d3分别取4.6、5.0、5.4、5.8、6.2 mm。

1.3  边界条件的设定

应用FLUENT软件进行三维流场分析：入口采用压力入口pressure-inlet，假设压力恒定为10 MPa;出口采用压力出口pressure-outlet，出口压力为0（1个大气压）;壁面条件设置为无滑移边界条件。并且考虑到重力影响，外加竖直向下的重力加速度9.81 m/s?。

2  数学模型的建立

3  结果分析与讨论

3.1  碰撞角对射流效果的影响

在入口压力设置为恒定10 MPa，入口直徑d1为5 mm，二级腔径D2位40 mm出口直径d3为5.4 mm条件下，对比不同碰撞角对射流效果的影响。碰撞角α分别为90°、105°、120°、135°、150°时。射流初期水流由入口进入双腔自激振荡器一级震荡腔发生震荡产生负压腔进而射流与腔壁发生碰撞形成以射流入口中心线为中心的双侧对称的涡环，产生的压力扰动由一级震荡腔初步放大进入二级谐振腔，经过放大的压力脉冲进入二级谐振腔进一步增强，并与带有一定角度的碰撞壁发生碰撞形成更大的涡环从而产生更强的射流脉冲。对比不同碰撞角度的速度云图，可以看出当碰撞角α为度时形成明显的涡环，并且相比于其他四种角度更为规律，能量损失更小，从而可以得到更强的射流脉冲。为了更直观的对比不同碰撞角对射流的影响，本文通过观测不同碰撞角度的峰值速度来选取最优碰撞角。双腔自激振荡器射流速度云图见图3-7。

由不同碰撞角与峰值速度的对应关系可以看出90°时峰值速度较105°、135°、150°时高较120°时低，105°和135°比较接近，并且120°时峰值速度最大，由此可以看出当碰撞角为120°时可以取得最大峰值速度，所以最佳碰撞角为α=120°。此时射流能量损失较小，涡环也更为规律，这样不但可以获得更强的射流脉冲可以减少设备延长自激振荡器使用寿命。不同碰撞角所对应的峰值速度见表1。

3.2  谐振腔腔径对射流效果的影响

其他条件同上并且保留最佳碰撞角α=120°，改变二级谐振腔腔径来研究腔径对射流效果的影响。二级谐振腔D2分别为30、35、40、45、50 mm时由图可以看出二级谐振腔腔径D2=30、35、40 mm时可以形成较为明显的涡环，其中二级谐振腔腔径D2=40 mm时涡环更为明显而且最为规律，随着二级谐振腔腔径的增大当二级谐振腔腔径增大到D2=45和D2=50 mm时就不能形成涡环，射流沿着带有倾斜角的碰撞壁呈发散状。双腔自激振荡器射流速度云图见图8-12。

由谐振腔腔径与峰值速度的对应关系可以看出当二级谐振腔腔径D2=30和D2=35 mm时峰值速度比较接近，随着二级谐振腔腔径的增大达到D2=40mm时峰值速度明显高于其他四种工况，随着二级谐振腔腔径进一步增大达到D2=45和D2=50 mm时峰值速度明显小于D2=30、35、40 mm。由此可知二级谐振腔的最佳腔径为D2=40 mm。不同二级谐振腔腔径的峰值速度见表2。

3.3  下喷嘴直径对射流效果的影响

保留以上讨论结果，采用碰撞角α=60°、二级谐振腔腔径D2=40 mm，改变下喷嘴直径，并对射流效果进行对比。下喷嘴直径d3分别为4.6、5.0、5.4、5.8、6.2 mm时，可以看出下喷嘴直径较小d3=4.6和d3=5.0 mm时射流冲击碰撞壁产生的射流脉冲不能及时输出双腔自激振荡器而干扰射流脉冲在二级谐振腔的进一步加强，而随着下喷嘴直径的增大d3=5.4 mm射流在二级谐振腔内自我干扰减弱，射流脉冲强度提高，在下喷嘴直径达到d3=5.8 mm时涡环最为明显，随着下喷嘴直径进一步增大，在达到d3=6.2 mm时，由一级震荡腔进入二级谐振腔的射流不能有效冲击碰撞壁从而导致能量损失较大不能形成较强的射流脉冲。双腔自激振荡器射流速度云图见图13-17。

由下喷嘴直径与峰值速度对应关系可知当下喷嘴直径d3 =4.6 mm时峰值速度较小，当下喷嘴直径d3 =5.0、5.4 mm时峰值速度相差不大，在下喷嘴直径为5.8 mm时峰值速度达到最大，当下喷嘴直径d3 = 6.2 mm时由于能量损失较大导致峰值速度明显低于其他工况。下喷嘴直径与峰值速度的关系见表3。

4  结论

本文采用标准的 模型对双腔自激振荡器进行了数值模拟得出了以下结论：

（1）由文中仿真模拟云图可以看出双腔自激振荡器内形成了明显的涡环，压力、速度符合漩涡碰撞理论和脉冲射流发生机理。

（2）双腔自激振荡器的碰撞角、二级谐振腔腔径、下喷嘴直径对射流效果影响较大，其中碰撞角α=60°、二级谐振腔腔径D2 =40 mm、下喷嘴直径d3 =5.8 mm时射流峰值速度最大，优化后的双腔自激振荡器的结构参数可以作为射流发生器的设计准则。

参考文献：

[1] 李晓红，王建生，卢义玉，等.脉冲磨料射流的基本理论与试验[J].中国安全科学学报，1999（ S1） ： 86-104.

[2] 杨涵. 空化射流喷嘴流场数值模拟研究[D].成都：西华大学，2015.

[3] 刘梓光. 用于清洗的空化水射流喷嘴的实验研究[D].天津：天津科技大学，2009.

[4] 李浩. 水力喷射径向水平井喷嘴流场数值模拟与测试[D].北京：中国石油大学（北京），2016.

[1] 李晓红，王建生，卢义玉，等.脉冲磨料射流的基本理论与试验[J].中国安全科学学报，1999，（ S1） ： 86-104.

[5] 蒋世全，廖荣庆，焦培林.串联型自振脉冲射流喷嘴的实验研究[J].天然气工业，1995（03）：51-53.