高圍壓淹沒自激振盪射流多物理場相干作用機理的研究

《高圍壓淹沒自激振盪射流多物理場相干作用機理的研究》是依託北京科技大學，由馬飛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高圍壓淹沒自激振盪射流多物理場相干作用機理的研究
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：馬飛
• 項目類別：面上項目

項目摘要

自激振盪射流是一種典型的非定常多相流動，射流壓力場、渦量場和密度場結構均隨時間發生強烈脈動，且上述物理場之間存在著複雜的相干作用。多物理場的相互作用是決定射流特徵及其沖蝕、破碎效果的關鍵性基礎問題。本課題採用理論、實驗和數值模擬相結合的研究方法，針對高圍壓環境中淹沒自激振盪射流多物理場耦合問題展開研究。重點研究了以下三個問題：高圍壓與自激過程共同作用下，射流中空化效應生成規律及其判定準則；下游壓力擾動對自激振盪射流特徵影響及其與空化作用的關聯性；考慮波-渦相干過程及空化作用的自激振盪射流數值計算方法。課題實施過程中將研發淹沒狀態下自激振盪射流多物理場同步實驗技術，實現瞬態流場結構、空泡雲形態及氣穴分布和射流壓力脈動的同步數據採集與處理分析。並建立以區域模型-RANS-LES為湍流計算模式並考慮空化效應及局部音速修正的自激振盪射流數值模擬方法。

結題摘要

自激振盪射流兼有脈衝射流和空化射流的特點，在高圍壓環境下可產生良好的沖蝕效果，因此在深海礦產開採領域具有廣闊套用前景。深入了解自激振盪射流在深海高圍壓環境中的非定常流動特徵，是提高其打擊破碎效果，擴展其在海底礦藏開採中套用的基礎。本項目從自激振盪射流非定常流動時空演變特徵這一根本性問題入手展開研究工作。首先，研發了自激振盪射流多物理場同步實驗測量平台，並通過大量比對實驗，對利用該平台檢測、調製自激振盪射流性能的可行性和先進性進行了深入分析。該平台為全面把握自激振盪射流的非定常流動特徵提供了有效的研究手段。依託該平台，研究了自激振盪射流壓力脈動信號的檢測方法，並基於信號分析方法揭示了自激振盪射流的頻率特性，獲得了射流發生自激振盪時的特徵頻率，且具有高頻特點。通過大量實驗，系統分析了自激振盪射流特徵頻率的影響因素。通過實驗研究，從聲壓級、噪聲能量、聲功率三個角度對不同環境圍壓、噴嘴結構、射流工況下自振射流空化特徵進行分析，系統研究了影響自激振盪射流空化效果的各項因素。研究結果表明，相較於普通錐形噴嘴和風琴管，在高圍壓環境中赫姆霍茲噴嘴可產生具有較強空化效應的脈動射流，在深海礦藏開採領域中具有明顯的套用優勢。在實驗的基礎上，將LES/RANS混合模擬計算方法引入自激振盪射流研究。針對自激振盪射流所具有的高頻脈動及邊界層內各向異性特性，對現有模擬方法進行改進，顯著提高了模擬計算精度。該方法彌補了現有模擬方法存在的不足，從而為自激振盪射流領域的相關研究提供了有效的研究手段。以數值模擬作為主要研究手段，結合實驗研究對噴嘴內部非定常流動結構進行三維可視化研究。最後，通過與Fourier變換、小波變換進行比對分析，從信號完整性、消噪和濾波、時頻解析度等角度探討了HHT方法的優勢及在自激振盪射流領域信號分析中的套用前景。本項目的研究成果不僅完善了自激振盪射流理論，並可推動該技術在深海領域的套用。