空化自激脉冲喷嘴的动力学特性研究

【摘要】：工业废水的处理是各国科学家们都在深入研究的一项重大课题,而空化撞击流技术在工业废水的处理上具有操作简单、应用范围广、清洁无二次污染的优势。本文以空化撞击流处理工业废水为背景,针对该技术的核心部件空化自激脉冲喷嘴进行研究。本次研究采用风琴管谐振腔串联Helmholtz谐振腔的形式,主要应用数值模拟的方法,对后续用于空化撞击流装置的空化自激脉冲空化喷嘴的设计起到指导作用。本文首先理论分析了空化形成的机理及其产生的效应,自激振荡脉冲射流的产生原理以及产生时扰动波所需满足的反馈条件;然后对空化自激脉冲喷嘴的原理及影响自激振荡脉冲效果的主要因素进行分析;接着对风琴管和Helmholtz谐振腔结构做了一系列设计,利用数值模拟的方法选出各自最优结构进行串联,通过对串联后的空化自激脉冲喷嘴进行数值模拟,研究在不同进口压力条件下,该喷嘴内部流场及其空化情况,并确定其最佳工作条件;最后通过对喷嘴过渡段结构的调整,从而得到空化自激脉冲喷嘴的优化结构。通过数值模拟发现,风琴管谐振腔串联Helmholtz谐振腔的空化自激脉冲喷嘴比单一一种形式的谐振腔更能提高喷嘴出口速度,同时对于一个特定结构的喷嘴而言,只对满足一定压力范围条件的流体才能产生自激振荡,并对其速度具有两次放大的作用,并且对于一个特定结构的喷嘴来说存在一个起始的压力来产生空化现象,只有高于或等于这个压力才能产生空化射流。对于本次设计的串联空化自激脉冲喷嘴的工作压力范围是0.4-2.7 MPa,考虑到节能因素,选择2 MPa作为该结构的空化自激脉冲喷嘴较为适宜的工作压力。通过改变喷嘴过渡段长度对喷嘴进行优化,确定了2mm长的过渡段喷嘴为此次设计的最佳结构。