一种基于数学模型构建设计的脉冲振荡装置的制作方法

本发明涉及脉冲振荡器技术领域，具体为一种基于数学模型构建设计的脉冲振荡装置。

背景技术：

振荡脉冲射流是利用瞬态流和水声学原理调制而成的，兼有脉冲射流和空化射流的特点，是一种结构简单、无附加外驱动结构、无动密封、具有较大的变压特性和很强的空化作用的新型脉冲射流,其冲击效果明显优于连续射流,尤其在淹没状态下，振荡脉冲射流比普通射流具有更强的破坏力，是一种很有发展前景的射流，在采矿破岩、石油钻采、船舶清洗等领域具有广阔的应用前景，目前市场上的振荡脉冲振荡器存在射流冲击性能一般、信号波动较为不稳定、不利于水压信号的传递与叠加以及容易出现致裂问题，进而导致使用效果一般，为此，提出一种基于数学模型构建设计的脉冲振荡装置来解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于数学模型构建设计的脉冲振荡装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于数学模型构建设计的脉冲振荡装置，包括外壳、射流入口、第一离散涡、射流出口、第二离散涡、第一空气汽囊、第一空气汽囊、第一空气泡以及第二空气泡，所述外壳的顶部固定设置有射流入口，所述射流入口的底部延伸至外壳内部且连接设置有射流出口，所述射流出口两侧的顶部设置有第一离散涡，所述外壳内腔的一侧设置有第一空气汽囊，所述外壳内腔的另一侧设置有第二空气汽囊，所述第一空气汽囊以及第二空气汽囊与射流出口之间均设置有第二离散涡，所述射流出口内腔的底部设置有第二空气泡，所述射流出口底部的外侧设置有第一空气泡。

进一步优化本技术方案，所述射流入口的上游喷嘴中的高速射流束中的不稳定扰动波如涡量脉动在穿过腔内剪切层时，通过不稳定剪切层的选择放大作用,形成大尺度涡环结构，剪切流动中的涡环与下游碰撞壁撞击产生压力扰动波并向上游反射，在上游剪切层分离处诱发新的扰动，当新扰动与原扰动频率匹配并具有合适的相位关系，发生谐振，导致腔内流体阻抗发生周期性变化，完成对射流的“完全阻断”、“部分阻断”及“不阻断”的调制过程，形成脉冲射流。

进一步优化本技术方案，当稳定液体流过谐振腔的出口收缩断面时，产生自激压力激动，这种压力激动反馈回谐振腔形成反馈压力振荡，适当控制谐振腔尺寸和流体的斯特劳哈尔数，使反馈压力振荡的频率与谐振腔的固有频率相等，从而在谐振腔内形成声谐共振，使喷嘴出口射流变成断续涡环流，这种断续涡环流的结构使得射流效果远远高于普通射流。

进一步优化本技术方案，该振荡脉冲振荡器高速射流中的离散涡在剪切层中被选择性放大，形成大尺度涡旋结构，最终形成沿腔室轴线对称分布的空化汽囊，该汽囊对射流入口来流产生周期性的能量聚集与释放，使连续射流变为脉冲射流，从而具有压力波动和一定的空化效应，所述外壳内部设置有振荡腔，同时激振荡腔室内存在着的大尺度漩涡以及脉冲压力振荡效应将导致自激振荡腔室内漩涡空化和振荡空化的形成。

进一步优化本技术方案，影响空化的因素包括：流动边界条件、绝对压强、流速、黏性、表面张力、水中气核含量和来流条件，但主要的影响因素是压强和流速，通常定义空化数。

式中，p∞和pv为流动系统中某一稳定流动状态点的压强和速度；ρ为液体密度。

进一步优化本技术方案，当流速不变而环境压强降低或者环境压强不变而流速增加时，流场内极小区域内偶然初次出现微小空穴的临界状态称为空化初生，与之对应的空化数称为初生空化数，当降低空化数至初生空化数以下时，空化泡开始大量出现，因而一般用空化数大小衡量空化程度，为了增强射流出口流道空化效应，可以通过降低空化数来实现，即：增大来流速度、降低环境压强或者增大空化泡压力，因此，为了加强射流出口流道空化效应，通常通过提高来流速度或者降低环境压力来实现。

进一步优化本技术方案，该振荡脉冲振荡器振荡脉冲射流冲击效果主要取决于射流动能的大小和空化效应的强弱,装置的频率特性对脉冲射流冲击效果有着决定性的影响。

进一步优化本技术方案，所述振荡腔出流水静压力明显增大，脉动压力周期性增强，在此基础上，现场实测了安装振荡器和无振荡器情况下的出口水压特性，对比发现数值模拟结果与实际情况具有较好的一致性。

与现有技术相比，本发明提供了一种基于数学模型构建设计的脉冲振荡装置，具备以下有益效果：

该基于数学模型构建设计的脉冲振荡装置，射流冲击性能强，脉冲信号突变性增强，幅值变化较稳定，有利于提高射流冲击性能，具备较为稳定脉冲效应的特点，内部系统较为稳定，激振荡腔室内存在着的大尺度漩涡以及脉冲压力振荡效应将导致自激振荡腔室内漩涡空化和振荡空化的形成，从而加强射流出口的空化作用，有效促进射流的空化效果，同时利于水压信号的传递与叠加，不易出现致裂问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的振荡脉冲射流发生原理示意图；

图3为本发明的振荡脉冲射流典型发生结构装置示意图；

图4为本发明的荡脉冲发生装置结构示意图；

图5为本发明的振荡脉冲发生集中参数等效模型示意图；

图6为本发明的特定工况下strouhal数随工作压力的变化曲线示意图；

图7为本发明的dc＝90mm不同上下喷嘴直径比下系统不同腔长对应阻尼比图示意图；

图8为本发明的系统不同腔长对应幅频图示意图；

图9为本发明的上下喷嘴直径比为1.5腔长50mm时系统不同腔径对应阻尼比示意图；

图10为本发明的入口水压为5.0mp条件下振荡器内部流场云图；

图11为本发明的入口水压为20.0mp条件下振荡器内部流场云图；

图12为本发明的入口水压为5.0mpa条件下振荡器内部水流分布；

图13为本发明的振荡腔室内部监测截面位置示意图；

图14为本发明的腔室出入口截面平均静压波动情况示意图；

图中：1、外壳；2、射流入口；3、第一离散涡；4、射流出口；5、第二离散涡；6、第一空气汽囊；7、第二空气汽囊；8、第一空气泡；9、第二空气泡。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

请参考图1-14所示，一种基于数学模型构建设计的脉冲振荡装置，包括外壳1、射流入口2、第一离散涡3、射流出口4、第二离散涡5、第一空气汽囊6、第一空气汽囊7、第一空气泡8以及第二空气泡9，所述外壳1的顶部固定设置有射流入口2，所述射流入口2的底部延伸至外壳1内部且连接设置有射流出口4，所述射流出口4两侧的顶部设置有第一离散涡3，所述外壳1内腔的一侧设置有第一空气汽囊6，所述外壳1内腔的另一侧设置有第二空气汽囊7，所述第一空气汽囊6以及第二空气汽囊7与射流出口4之间均设置有第二离散涡5，所述射流出口4内腔的底部设置有第二空气泡9，所述射流出口4底部的外侧设置有第一空气泡8。

作为本实施例的具体优化方案，请参考图2所示，所述射流入口2的上游喷嘴中的高速射流束中的不稳定扰动波如涡量脉动在穿过腔内剪切层时，通过不稳定剪切层的选择放大作用,形成大尺度涡环结构，剪切流动中的涡环与下游碰撞壁撞击产生压力扰动波并向上游反射，在上游剪切层分离处诱发新的扰动，当新扰动与原扰动频率匹配并具有合适的相位关系，发生谐振，导致腔内流体阻抗发生周期性变化，完成对射流的“完全阻断”、“部分阻断”及“不阻断”的调制过程，形成脉冲射流，请参考图3所示，当稳定液体流过谐振腔的出口收缩断面时，产生自激压力激动，这种压力激动反馈回谐振腔形成反馈压力振荡，图3是振荡脉冲水射流的两种典型结构喷嘴：风琴管喷嘴和亥姆霍兹(helmholtz)喷嘴，适当控制谐振腔尺寸和流体的斯特劳哈尔(strouhal)数，使反馈压力振荡的频率与谐振腔的固有频率相等，从而在谐振腔内形成声谐共振，使喷嘴出口射流变成断续涡环流，这种断续涡环流的结构使得射流效果远远高于普通射流。

作为本实施例的具体优化方案，自激振荡脉冲效应可形成较强的空化效应，其射流形成及空化效应过程如图1所示，该振荡脉冲振荡器高速射流中的离散涡在剪切层中被选择性放大，形成大尺度涡旋结构，最终形成沿腔室轴线对称分布的空化汽囊，该汽囊对射流入口1来流产生周期性的能量聚集与释放，使连续射流变为脉冲射流，从而具有压力波动和一定的空化效应，所述外壳1内部设置有振荡腔，同时激振荡腔室内存在着的大尺度漩涡以及脉冲压力振荡效应将导致自激振荡腔室内漩涡空化和振荡空化的形成，从而加强射流出口的空化作用，有效促进射流的空化效果，影响空化的因素包括：流动边界条件、绝对压强、流速、黏性、表面张力、水中气核(水中微气泡、固态颗粒等)含量和来流条件等，但主要的影响因素是压强和流速，通常定义空化数。

式中，p∞和pv为流动系统中某一稳定流动状态点的压强和速度；ρ为液体密度。

当流速不变而环境压强降低或者环境压强不变而流速增加时，流场内极小区域内偶然初次出现微小空穴的临界状态称为空化初生，与之对应的空化数称为初生空化数，当降低空化数至初生空化数以下时，空化泡开始大量出现，因而一般用空化数大小衡量空化程度，为了增强射流出口流道空化效应，可以通过降低空化数来实现，即：增大来流速度、降低环境压强或者增大空化泡压力，因此，为了加强射流出口流道空化效应，通常通过提高来流速度或者降低环境压力来实现。

脉冲腔室频率数学模型，振荡脉冲射流冲击效果主要取决于射流动能的大小和空化效应的强弱,装置的频率特性对脉冲射流冲击效果有着决定性的影响，根据经典自激振荡脉冲发生结构模型，简化可得振荡脉冲发生装置如图4所示，影响自激脉冲效果的因素主要包括两方面：自激脉冲发生装置的结构参数和运行参数，其中，结构参数主要包括上、下喷嘴直径d1、d2，下喷嘴锥度α、振荡腔径dc和腔长l；振荡脉冲的运行参数主要包括上喷嘴入口压力p1及流速v1。

根据流体网络理论，可推得自激喷嘴集中参数等效模型如图5所示,由似稳假定模型得：

流阻为：

流容为：

流感为：

其中，

式中，v为喷嘴平均速度，m/s；为喷嘴局部阻力系数，cf为喷嘴流量系数，l0为上喷嘴入口前直管段长度，mm；a0为上喷嘴入口前直管段直径，mm；a1、a2为变化前后的截面积，mm2。

结合初始条件，p1(t)＝0，p2(t)＝0，p2′(t)＝0，p2″′(t)＝0，可得到该系统的压力传递函数，进而得到喷嘴固有圆频率为:

将式(2-3)～(2-5)代入式(2-6)，可得到振荡发生装置的固有频率：

式中，a为振荡腔内流体波速。

腔内流体波速可表示为：

式中，k1为流体体积弹性模量,pa；α′为空隙度；ρm为混合流体密度，kg/m3；dm为振荡腔内混合流体边界膨胀模量，pa。

可以看出，当运行参数不变的情况下，只增大腔室直径dc或者腔室长度lc，振荡发生装置固有频率降低；增大上下喷嘴直径比d2/d1，振荡发生装置固有频率升高。

由于自由剪切层的不稳定性对扰动放大与初始扰动的幅值、马赫数和雷诺数无关，仅仅取决于由下式定义的strouhal数：

式中，f为扰动频率，l为腔室长度。

因为在流体的发展中，初始扰动频率f与自激振荡脉冲频率相一致，当流体自激振荡脉冲频率与系统固有频率相同或者为整数倍的关系时，射流与喷嘴形成共振，射流脉冲能量值达到最大。

根据文献资料查阅信息可知，不同工作压力下，strouhal数的变化曲线和不同工作压力下的自激频率的不变化曲线趋势极为相似，对strouhal数随压力的变化曲线进行拟合，strouhal数随压力的变化规律可近似由以下幂函数经验公式确定：

st＝ap^b(2-10)

该式中a、b为特定工况下的有结构参数决定的常数，根据图6的特定工况下strouhal数随工作压力的变化曲线可知，随着压力的增大strouhal数有逐渐降低至平缓的0.1附件，压力越大，对strouhal数的影响左右越小。

根据孔口出流公式，有再由可以推出：

由于固定除腔体长度之外的结构参数，则可以获得因此以上公式可以得到：

其中，cst是只与结构相关的常数，由此可见，在结构参数确定的情况下，自激脉冲频率f和入口流速v和腔体长度呈反比例关系。在固定腔长的条件下，随工作压力的增大，入口流速的增加，自激脉冲频率呈降低趋势；在稳定入口流速的条件见下，随着腔体长度的减小，自激脉冲频率呈增大趋势。

振荡脉冲发生装置参数配比，根据文献资料成果及理论计算，对振荡脉冲发生装置结构参数进行配比，基于公式(2-9)，影响振荡脉冲发生装置固有频率的结构参数主要包括上下喷嘴直径比(d2/d1)，振荡腔室长度lc，振荡腔室直径dc。对于振荡系统来说，阻尼比为0＜ξ＜1时，系统处于欠阻尼状态，系统以固有频率作等幅振荡；阻尼比越大，系统振荡幅度较小，阻尼比越小，系统衰减的慢，系统比较稳定。阻尼比ξ＞1时，系统处于超阻尼状态，系统响应速度慢，无振荡，系统衰减速度快，系统不稳定。因此，通过对系统结构分析，确定最佳阻尼比才能保证系统处于稳定状态。

1、下喷嘴直径比d2/d1对脉冲频率影响：

由图7可知，自激振荡脉冲喷嘴的自激腔室腔径一定时，随着上下喷嘴面积比的增大，系统阻尼比和脉冲固有频率相应提高；当d2/d1≤1.5时，系统阻尼比0＜ξ＜1，且系统存在最佳谐振峰值对应的直径比m＝1.25，说明小直径比下系统脉冲射流性能特性较好。

2、振荡腔室腔长lc对脉冲频率的影响

自激振荡脉喷嘴的振荡腔室腔径一定时，随着腔长的增大，系统的阻尼比和脉冲固有频率减小，由图7可知，腔长在40～60mm范围内，系统阻尼比0＜ξ＜1，系统稳定性较好，由图8可知，腔长越小，系统峰值较大，但腔长越小阻尼比较大，系统不稳定，要使系统稳定，在腔长为50mm时，系统获得较好的谐振峰值。

根据前人研究的文献资料结论可知，在大流量低压情况下能产生较好脉冲效果的振荡腔尺寸范围主要满足的条件为：腔径与下喷嘴直径比dc/d2＝6～9，上下喷嘴直径比d2/d1＝1.2～2.3，振荡腔的长径比lc/dc＝0.4～0.7，本研究结论处于满足的条件范围内，具有较好的一致性。

3、振荡脉冲发生装置结构设计：

根据振荡脉冲发生装置参数配比分析，振荡脉冲发生装置的合理参数配比为：上下喷嘴直径比为1.5，振荡腔长50mm，振荡腔径为100m，根据相关文献资料研究结论，振荡腔最佳锥角为120°，设计条件符合本研究要求。因此，根据实际泵站的流量值大小，选择合理的上喷嘴直径大小。

振荡脉冲流场特征模拟分析：

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在使用fluent求解前，应针对所要求解的物理问题，制订比较详细的求解方案，需要考虑的因素包括：决定cfd模型目标、选择计算类型、选择物理模型、决定求解过程。当上述问题明确后，就可开始进行cfd建模和求解。求解步骤为：创建网格、运行合适的解算器、输入网格、检查网格、选择解的格式、选择需要解的基本方程、确定所需要的附加模型、指定边界条件、调节解的控制参数、初始化流场、计解并检查保存结果。

何模型及网格划分：为了提高模拟结果的精度，采用非结构化网格划分方式将计算区域划分为约八万个三角形网格单元，网格划分稠密。

计算模型选择及边界条件：本模型选用非稳态隐式压力求解器，求解n-s方程组选择simple法，即求解压力耦合方程的半隐方法，压力场离散方式选择presto方式，密度场、动量场、湍流动能场、水蒸气组分场、湍流耗散率场、能量场离散方式选择quick方式，由于振荡器内部结构存在拐角，这些区域水流流通截面会发生急剧变化，水流通道截面突然扩大或缩小或风流通道突然拐弯等，湍流模型可以很好地处理高应变率及流线弯曲程度大的流动，适用本模型中的紊流水流问题。

根据空化生成理论，当水流压力低于该状态下的饱和蒸汽压时，水流开始产生空化。高速高压水流在振荡器内部流动过程中，由于流道形状突变，水流压力发生剧变，壁面边界层发生分离使射流在振荡器内形成空化区，流经该区域的水射流中会出现大量空化泡，因此在选择mixtruemodel两相流模型的前提下需添加空化模型(cavitationmodel)。

振荡器的边界条件主要为设置入口边界的参数，分别设置入口压力为5.0mpa、10.0mpa和15.0mpa三种情况。

振荡流场特征分析：

腔内水压分布：入口水压分别为5.0mpa、20.0mpa时，振荡器内部流场特征云图如图11、图12所示，振荡器的出入口轴心线区域水流速、压力较大，腔内压力随着靠近出流孔而降低，压力总体趋势呈靠近轴心出增大分布；腔内流速在靠近出流口锥角出漩涡明显，且随着入口水压的增大，漩涡强度增大，但范围较少，除边界区域外速度场变化不显著；腔体内形成了较强的空化效应，主要分布在出流孔锥角区域，随着入口水压增大空化范围和强度增大，受空化效应影响出流孔的水分布中也明显出现了水气共存的特征，形成较为稳定脉冲效应。

空化效应分析：在入口水压为5.0mpa时，振荡器入口处产生中心水流加速区，水流加速区边界处湍流程度加剧，射流加速区边界处产生离散涡，水流加速区会促进射流中心外围轴对称低压涡环的形成，低压涡环的出现会形成空化气囊。

在入口水压为5.0mpa时，从振荡器内部流线分布情况可知，在振荡器腔体内会形成关于水射流中轴线对称的大涡环，如图12所示；从振荡器内部水蒸气体积分数分布图可知，在振荡器腔体内会形成关于水射流中轴线对称的巨大的空化气囊，振荡器出口为空化泡形式的气液混合物，振荡器内部大涡环中心产生空化，形成空化气囊，振荡器产生的这种断续涡环流结构会使得射流效果远远高于普通射流。

脉冲静水压特性分析：对振荡腔室入口和出口截面平均静水压进行实时监测，监测位置示意图如图13所示，内部截面一与截面二位置分别为腔室入口截面和出口截面，对不同入口水压条件下腔室出入口水压进行分析。

入口水压为5.0mpa时出入口静压特征：图14(a)为入口水压为5.0mpa时腔室入口截面平均静压曲线，入口静压力波形较杂乱，振荡信号不稳定，幅值变化较大，尖脉冲信号显著。在模拟的条件下，入口静压幅值平均为0.7kpa左右，压力幅值较小，图14(b)为入口水压为5.0mpa时腔室出口截面平均静压曲线，腔室出口出现规律性的周期性压力脉动效应，脉冲信号较稳定而平滑，峰值脉冲较平缓，脉冲异常信号较少。在模拟的条件下，出口静压幅值平均为5.0kpa左右，压力幅值较大。对比入口静压力特征，水流经振荡器处理后，振荡脉冲信号幅值显著增大，波动周期性和规律性增强，脉冲异常信号明显弱化，说明经过振荡腔的振荡作用，水流的脉冲效应和静压能量被增强。

入口水压为10.0mpa时出入口静压特征：入口水压增大后，入口静压脉冲信号突变性增强，幅值变化较稳定；出口水压脉冲幅值增大，相对于入口静压，脉冲信号较为平缓，脉冲信号的频率基本上无变化。

同上分析，随着入口水压的增大，振荡腔室的出入口平均静压的脉动频率有所增加，水压的尖脉冲性增强；出口静压力要高于入口静压力，随着入口水压增加，出口水压增加的幅度降低。因此，经过振荡器处理后，静水压脉动性增强，脉动能量增大，有利于提高射流冲击性能。

通过以上关于煤层切槽致裂技术关键装备脉冲振荡器参数设计与特性分析，主要开展了基于脉冲水射流特性和振荡脉冲发生装置的固有频率理论分析，并在对现有研究成果分析的基础上，设计了适应于煤矿井下水射流冲击与水压致裂的振荡脉冲发生装置，优化了振荡腔结构参数，采用fluent软件数值模拟了水流经振荡器后的出流过程，分析了振荡腔内的流场特征和空化效应，并对振荡腔内的出入口截面的平均静压力进行了对比分析；模拟结果显示，振荡腔出流水静压力明显增大，脉动压力周期性增强。在此基础上，现场实测了安装振荡器和无振荡器情况下的出口水压特性，对比发现数值模拟结果与实际情况具有较好的一致性，验证了振荡器提高水压冲击与致裂效果作用。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。