劉承婷 尹井奇

摘 ? ? ?要：以雙腔自激振蕩器為研究對象，通過工程流體模擬軟件建立了雙腔自激振蕩器模型。并且針對不同結(jié)構(gòu)的雙腔自激振蕩器的自激震蕩效果進(jìn)行仿真模擬，邊界條件采用壓力入口并且設(shè)定初始壓力為10 MPa，對比二級諧振腔碰撞角α分別為90°、105°、120°、135°、150°、出口直徑d3分別取4.6、5.0、5.4、5.8、6.2 mm、二級諧振腔腔徑D2分別取30、35、40、45、50 mm等不同工況進(jìn)行了仿真分析，通過觀測峰值速度，對比速度云圖得到雙腔自激振蕩器最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

關(guān) ?鍵 ?詞：雙腔自激振蕩器;結(jié)構(gòu)參數(shù);仿真分析;峰值速度

中圖分類號：TE93 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? 文章編號： 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

近幾年來我國大部分油田已經(jīng)進(jìn)入開發(fā)中后期，油田含水率不斷升高，大量油田實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐表明，通過周期注水可以大幅度提高油田采收率，而自激振蕩器射流噴嘴是可以將連續(xù)的射流改變?yōu)橹芷谛陨淞鞯拿}沖發(fā)生裝置，可以應(yīng)用于周期注水開發(fā)。李曉紅等人通過對脈沖射流的設(shè)計(jì)和原理的分析，初步建立了磨料在射流中的運(yùn)動模型，設(shè)計(jì)了一種磨料射流噴嘴[1];楊涵對噴嘴的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴嘴性能的影響，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種新型集中式旋轉(zhuǎn)空化射流噴嘴[2];劉梓光通過應(yīng)用瞬態(tài)流、水聲學(xué)和流體共振等理論及流體阻抗法，理論分析了自激振動空化射流與風(fēng)琴管自激振動空化噴嘴的工作原理、產(chǎn)生強(qiáng)烈自激振動空化射流的風(fēng)琴管諧振腔的特性、噴嘴內(nèi)流動特征方程及風(fēng)琴管諧振腔長度計(jì)算公式[3];李浩設(shè)計(jì)了一種自進(jìn)式射流噴嘴，并且通過單孔、多空、單孔旋轉(zhuǎn)等流場的分析，從而為優(yōu)選徑向水平噴嘴提供了依據(jù)[4];蔣世全等人通過對串聯(lián)型自激振蕩噴射流壓力特性的實(shí)驗(yàn)研究，得出了提高射流沖擊壓力的破碎巖石效率的結(jié)構(gòu)[5];然而雙腔自激振蕩器沖蝕效果明顯優(yōu)于單腔室赫爾姆霍茲;于是本文筆者對雙腔自激振蕩器進(jìn)行仿真模擬，通過對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的自激振蕩器震蕩效果對比從而得到雙腔自激振蕩器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

1 ?幾何模型的建立與網(wǎng)格劃分

1.1 ?物理模型的建立

本文以雙腔室自激振蕩器為模型，結(jié)構(gòu)圖見圖1，其中水流經(jīng)過管線由上噴嘴進(jìn)入一級震蕩腔產(chǎn)生初始脈沖再經(jīng)二級諧振腔震蕩并使一級震蕩腔來流壓力擾動增強(qiáng)從而得到更強(qiáng)的脈沖射流。本文通過三維建模更加直觀的進(jìn)行雙腔自激振蕩器的內(nèi)部流場仿真模擬。

1.2 ?CFD網(wǎng)格劃分

根據(jù)雙腔自激振蕩器結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格應(yīng)用情況綜合考慮，應(yīng)用icemCFD軟件采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對雙腔自激振蕩器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以很容易地實(shí)現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，對曲面或空間的擬合大多數(shù)采用參數(shù)化或樣條插值的方法得到，區(qū)域光滑，與實(shí)際的模型更容易接近，所以能更好的處理邊界區(qū)域，本文模型建立所劃分的網(wǎng)格如圖2所示。

本文模擬采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：其中入口直徑d1=5 mm;入口到一級震蕩腔長度La=5 mm;一級震蕩腔長度Lb=15 mm;一級震蕩腔腔徑D2=35 mm;一級震蕩腔與二級諧振腔之間管路直徑d2=10;直徑Lc=5 mm;二級諧振腔腔長Ld=20;二級諧振腔腔徑D2分別取30、35、40、45、50;二級諧振腔碰撞角α分別取90°、105°、120°、135°、150°;出口直徑d3分別取4.6、5.0、5.4、5.8、6.2 mm。

1.3 ?邊界條件的設(shè)定

應(yīng)用FLUENT軟件進(jìn)行三維流場分析：入口采用壓力入口pressure-inlet，假設(shè)壓力恒定為10 MPa;出口采用壓力出口pressure-outlet，出口壓力為0（1個大氣壓）;壁面條件設(shè)置為無滑移邊界條件。并且考慮到重力影響，外加豎直向下的重力加速度9.81 m/s?。

2 ?數(shù)學(xué)模型的建立

3 ?結(jié)果分析與討論

3.1 ?碰撞角對射流效果的影響

在入口壓力設(shè)置為恒定10 MPa，入口直徑d1為5 mm，二級腔徑D2位40 mm出口直徑d3為5.4 mm條件下，對比不同碰撞角對射流效果的影響。碰撞角α分別為90°、105°、120°、135°、150°時(shí)。射流初期水流由入口進(jìn)入雙腔自激振蕩器一級震蕩腔發(fā)生震蕩產(chǎn)生負(fù)壓腔進(jìn)而射流與腔壁發(fā)生碰撞形成以射流入口中心線為中心的雙側(cè)對稱的渦環(huán)，產(chǎn)生的壓力擾動由一級震蕩腔初步放大進(jìn)入二級諧振腔，經(jīng)過放大的壓力脈沖進(jìn)入二級諧振腔進(jìn)一步增強(qiáng)，并與帶有一定角度的碰撞壁發(fā)生碰撞形成更大的渦環(huán)從而產(chǎn)生更強(qiáng)的射流脈沖。對比不同碰撞角度的速度云圖，可以看出當(dāng)碰撞角α為度時(shí)形成明顯的渦環(huán)，并且相比于其他四種角度更為規(guī)律，能量損失更小，從而可以得到更強(qiáng)的射流脈沖。為了更直觀的對比不同碰撞角對射流的影響，本文通過觀測不同碰撞角度的峰值速度來選取最優(yōu)碰撞角。雙腔自激振蕩器射流速度云圖見圖3-7。

由不同碰撞角與峰值速度的對應(yīng)關(guān)系可以看出90°時(shí)峰值速度較105°、135°、150°時(shí)高較120°時(shí)低，105°和135°比較接近，并且120°時(shí)峰值速度最大，由此可以看出當(dāng)碰撞角為120°時(shí)可以取得最大峰值速度，所以最佳碰撞角為α=120°。此時(shí)射流能量損失較小，渦環(huán)也更為規(guī)律，這樣不但可以獲得更強(qiáng)的射流脈沖可以減少設(shè)備延長自激振蕩器使用壽命。不同碰撞角所對應(yīng)的峰值速度見表1。

3.2 ?諧振腔腔徑對射流效果的影響

其他條件同上并且保留最佳碰撞角α=120°，改變二級諧振腔腔徑來研究腔徑對射流效果的影響。二級諧振腔D2分別為30、35、40、45、50 mm時(shí)由圖可以看出二級諧振腔腔徑D2=30、35、40 mm時(shí)可以形成較為明顯的渦環(huán)，其中二級諧振腔腔徑D2=40 mm時(shí)渦環(huán)更為明顯而且最為規(guī)律，隨著二級諧振腔腔徑的增大當(dāng)二級諧振腔腔徑增大到D2=45和D2=50 mm時(shí)就不能形成渦環(huán)，射流沿著帶有傾斜角的碰撞壁呈發(fā)散狀。雙腔自激振蕩器射流速度云圖見圖8-12。

由諧振腔腔徑與峰值速度的對應(yīng)關(guān)系可以看出當(dāng)二級諧振腔腔徑D2=30和D2=35 mm時(shí)峰值速度比較接近，隨著二級諧振腔腔徑的增大達(dá)到D2=40mm時(shí)峰值速度明顯高于其他四種工況，隨著二級諧振腔腔徑進(jìn)一步增大達(dá)到D2=45和D2=50 mm時(shí)峰值速度明顯小于D2=30、35、40 mm。由此可知二級諧振腔的最佳腔徑為D2=40 mm。不同二級諧振腔腔徑的峰值速度見表2。

3.3 ?下噴嘴直徑對射流效果的影響

保留以上討論結(jié)果，采用碰撞角α=60°、二級諧振腔腔徑D2=40 mm，改變下噴嘴直徑，并對射流效果進(jìn)行對比。下噴嘴直徑d3分別為4.6、5.0、5.4、5.8、6.2 mm時(shí)，可以看出下噴嘴直徑較小d3=4.6和d3=5.0 mm時(shí)射流沖擊碰撞壁產(chǎn)生的射流脈沖不能及時(shí)輸出雙腔自激振蕩器而干擾射流脈沖在二級諧振腔的進(jìn)一步加強(qiáng)，而隨著下噴嘴直徑的增大d3=5.4 mm射流在二級諧振腔內(nèi)自我干擾減弱，射流脈沖強(qiáng)度提高，在下噴嘴直徑達(dá)到d3=5.8 mm時(shí)渦環(huán)最為明顯，隨著下噴嘴直徑進(jìn)一步增大，在達(dá)到d3=6.2 mm時(shí)，由一級震蕩腔進(jìn)入二級諧振腔的射流不能有效沖擊碰撞壁從而導(dǎo)致能量損失較大不能形成較強(qiáng)的射流脈沖。雙腔自激振蕩器射流速度云圖見圖13-17。

由下噴嘴直徑與峰值速度對應(yīng)關(guān)系可知當(dāng)下噴嘴直徑d3 =4.6 mm時(shí)峰值速度較小，當(dāng)下噴嘴直徑d3 =5.0、5.4 mm時(shí)峰值速度相差不大，在下噴嘴直徑為5.8 mm時(shí)峰值速度達(dá)到最大，當(dāng)下噴嘴直徑d3 = 6.2 mm時(shí)由于能量損失較大導(dǎo)致峰值速度明顯低于其他工況。下噴嘴直徑與峰值速度的關(guān)系見表3。

4 ?結(jié)論

本文采用標(biāo)準(zhǔn)的 模型對雙腔自激振蕩器進(jìn)行了數(shù)值模擬得出了以下結(jié)論：

（1）由文中仿真模擬云圖可以看出雙腔自激振蕩器內(nèi)形成了明顯的渦環(huán)，壓力、速度符合漩渦碰撞理論和脈沖射流發(fā)生機(jī)理。

（2）雙腔自激振蕩器的碰撞角、二級諧振腔腔徑、下噴嘴直徑對射流效果影響較大，其中碰撞角α=60°、二級諧振腔腔徑D2 =40 mm、下噴嘴直徑d3 =5.8 mm時(shí)射流峰值速度最大，優(yōu)化后的雙腔自激振蕩器的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以作為射流發(fā)生器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李曉紅，王建生，盧義玉，等.脈沖磨料射流的基本理論與試驗(yàn)[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1999（ S1） ： 86-104.

[2] 楊涵. 空化射流噴嘴流場數(shù)值模擬研究[D].成都：西華大學(xué)，2015.

[3] 劉梓光. 用于清洗的空化水射流噴嘴的實(shí)驗(yàn)研究[D].天津：天津科技大學(xué)，2009.

[4] 李浩. 水力噴射徑向水平井噴嘴流場數(shù)值模擬與測試[D].北京：中國石油大學(xué)（北京），2016.

[1] 李曉紅，王建生，盧義玉，等.脈沖磨料射流的基本理論與試驗(yàn)[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1999，（ S1） ： 86-104.

[5] 蔣世全，廖榮慶，焦培林.串聯(lián)型自振脈沖射流噴嘴的實(shí)驗(yàn)研究[J].天然氣工業(yè)，1995（03）：51-53.