流体泵免维修输送系统工业化应用关键技术研究.doc

一、立项依据与研究内容： 1 项目的立项依据 （一）研究意义 生产中的工艺罐、输送管道或换热设备在运行中会不可避免地产生水垢、油垢或各种沉积污垢，这些污垢使装置效率下降，能耗物耗增加，甚至设备失效、流程中断或被迫停产，给生产造成巨大的经济损失，因此必须通过清洗来恢复装置的生产效率。水射流清洗较之传统清洗方式具有效率高、成本低、易于实现自动化且无二次污染等优点，在石油化工等领域有广泛的应用前景。在装置的长期运行中，罐底沉积物形成了密实度很高且粘性很强的垢层，要求射流束有较大的质量和冲击动能，能够同时对大面积上的污物进行清洗。就原油储备罐的射流清洗而言，因提高清洗质量而延长装置运行周期或因提高清洗速度而缩短检修周期的效益均十分可观：2010我国战略石油储备计划达到9000万立方米，传统工艺罐清洗停用需60天，而射流清洗只需12天，按3～6年的清洗周期每次带来效益14～28元/立方米计，平均年效益约达2.5～5亿。国外针对大型原油罐底泥清洗采用的压力大多为5～6MPa（丹麦Toftejory公司BLABO系统和日本太凤公司COWS系统），这些设备的国产化对我国水力清洗行业的发展至关重要，但由于部分国内配套设备的制造水平达不到这种承压要求，极大阻碍了高压水射流清洗技术的应用规模。而如果将连续射流改为脉冲射流，在低频低压下，其打击力一般可提高2～6倍；在高频高压下，靶距相同时打击力可提高15～20倍，打击力相同时靶距可延长30～60％［1］。可见脉冲射流的利用，可使系统配套功率及承压要求降低，因此成为解决此类射流设备国产化的关键出路。 脉冲射流清洗是上世纪八十年代后期发展起来的高效节能射流清洗技术，虽然高压脉冲射流的发生方式有多种（如机械截断、激光汽化及活塞激发等）［2］，但在大直径情况下，通过自激振荡腔体产生脉冲是工程中唯一简便可行的方式，因此深入研究自激脉冲喷嘴内部大尺度涡环拟序结构与腔体结构及相变的关系，建立喷嘴结构及运行参数与自激频率的定量关系，显然对相关工程设计具有重要的理论指导价值。 课题的提出来源于申请者对自激脉冲射流清洗喷头的研制工作。我们在对大型原油罐机械化清洗设备的国产化研制过程当中，为提高清洗效率，研制了一种工作压力为1~2MPa的脉冲水射流喷嘴，该喷嘴通过一种类似亥姆霍兹（Helmholtz）共振腔的结构产生自激脉冲射流。不同于能量均匀输出的连续射流，脉冲射流具有周期性的聚能输出效果，所以该喷嘴能在同样压力下产生相当于连续射流数倍的峰值打击力，正是由于这种周期性突然升高的打击力在瞬间克服了油泥板块的屈服剪切力，使之最终易于与罐体分离。显然，不同物性的清洗对象在受到疲劳冲击时，除了打击力之外，还存在一组最有效的打击频率范围使之易于屈服。如果在设计中考虑这一点，根据最佳打击频率调整自激喷嘴结构以达到调制射流频率的目的，则其工作性能必将大为提高。大量研究表明，自激振荡腔的频率成份很复杂，但其腔体内部的大涡拟序结构决定了必有一组压力振幅最高的低频组份为其主频，该主频与腔体的固有频率有关，而固有频率又与结构有关，因此该主频与自激喷嘴的结构参数存在函数关系。目前对自激脉冲发生机理的解释，大多为基于波涡运动理论的定性描述，难以得出与试验值相吻合且具有工程应用价值的理论设计结果；另一方面，大多关于自激振荡脉冲射流的试验基本集中在高压、高频、小流量的范畴，而我们在低频脉冲试验中发现，对于一个固定的自激振荡腔体，只有在汽化压力附近波动时才出现强烈的自激脉冲，如腔内为正压或其它负压时脉冲现象显著减弱或消失。我们对二维非定常湍流空化模型的数值模拟结果，也清楚地显示了这种近周期性相变的大尺度涡环拟序结构［5］。这些发现至少可以说明两个问题。第一，基于传统的波涡理论所得到的有关自激脉冲的机理解释，在低压（工作压力1~2MPa）低频（<0.5Hz）区是不完整的。原因是在产生自激脉冲射流的过程中，由于自激振荡腔内压力波动周期相对于汽液相变的弛豫时间(relaxation time)足够长，射流介质将发生汽液相变，这必然会影响脉冲能量的转换和分配，形成不同频率和振幅特征的脉冲射流，也就是说低频脉冲射流的发生是相变和波涡共同作用的结果；第二，在某个低压等级范围内，合适的腔体结构与工作压力等级（或射流流速）不但可激发大尺度的轴对称涡环拟序结构，而且涡环中心的空泡溃灭还强化了脉冲强度。即当涡环中心低压区交替发生空化和凝结时，由于汽囊体积和位置的周期性变化和移动，使得涡环对射流中心产生了周期性的夹缩，提高了射流能量峰值的输出，从而产生更强烈的脉冲射流。只有在压力等级达到几十兆帕以上时，振荡腔在波涡作用下激励了高频脉冲，射流介质来不及发生相变，此时单纯用波涡理论解释其自激脉冲机理才是合理的。因此，就低压、低频条件而言，汽液相变在什么压力和频率范围内才会发生？与相变的非平衡态热力学条件的关系是什么？对于不同结构、不同压力及流量等级的自激振荡腔，其大尺度涡环拟序结构特征有何不同？低频自激脉冲射流所发生的临界条件和大尺度涡环拟序结构有什么样的定量、定性关系？由于相变在自激脉冲中起到关键作用，则是否可以推论，相变过程中汽相体积分数的变化其实就反应了自激波涡系统的频率特征？！倘若成立，我们能否利用这一对应关系进行自激脉冲系统的频率调制？！等等。由于流动现象的复杂性以及目前湍流模型和空化模型的近似性，关于自激腔内湍流波涡运动的相变问题，我们还无法从现有的数值模拟包括涡动力学的途径上得到满意的结果。为此，本课题拟通过改进空化模型，建立较完善的反映汽液相变影响的自激振荡腔数值模拟理论和方法，提高大尺度拟序涡环汽液相变的模拟精度，并建立其与脉冲射流频率的关系；据此设计可调喷嘴进行射流的频率调制，以验证数值计算理论，为工业应用提供依据。 （二）国内外研究状况及分析 （1）水射流技术的发展 20世纪80年代以来，高压水射流技术迅速发展。脉冲射流常采用机械截断、激光汽化以及自激（或调制）等方式来产生，其中以自激脉冲发生方式在低磨损、低能耗及结构简化、工作特性范围等方面具有较强的优势，因此工程上广泛用于清洗、消防水炮以及钻探、破岩、切割等方面。射流清洗压力从几个兆帕到几十甚至上百兆帕。过去由于片面追求高压，使水射流清洗对高压泵、管路附件、设备材料、制造加工及安全生产等方面的要求十分苛刻，大大提高了工程成本，限制了水射流的工程应用。就我国而言，许多国外先进的水射流清洗技术，由于国产泵、阀、密封等产品的制造工艺大多达不到高压水射流的要求，因而难以国产化。如何在满足工程要求的前提下，尽可能降低喷射工作压力，已成为水射流清洗亟待解决的问题。近十年来，射流形式已从单一的定压射流发展到多孔射流、磨料射流、气蚀射流和脉冲射流，由于纯水脉冲射流尤其是自激脉冲射流结构简单、不污染工作环境，在各种压力等级的射流中均有广泛应用。 关于脉冲发生方式的研究，Lichitarowicz（1998）等研究了机械外部遮断式脉冲射流，这种装置是通过外部旋转的带孔圆盘来周期性的遮断连续射流，通过改变转盘的转速及盘上的孔距就可改变单个水柱长度，从而改变冲击作用时间或冲击频率，它虽然制造简单、易调节，但噪音大，圆盘易被高速水流冲击破坏。Mazurkiewicz（1998），研究了用间断激光束来汽化射流束的脉冲射流，当激光发生装置发出的激光对准射流时，射流中间的一部分水汽化，使射流变为间断流，该方式适用于小流量的高压射流。Nebeker（1984）提出了打击射流，通过喷嘴里的一个做绝对位移的调节器（modulator）发出，其调节频率2000～20000 Hz，喷嘴出口压力16.1～51.3MPa。自激脉冲发生方式最早的设计者是Chahine（1983），他研制了亥母霍兹自振腔式脉冲水射流装置，即由一个亥母霍兹自振腔连接上、下游喷嘴。由于不稳定的射流剪切层所产生的扰动被腔体反馈回来的波所激励，那些与腔体固有频率接近或成倍的涡环扰动被选择性地放大，最终在腔内形成轴对称涡环结构，并产生波涡共振形成脉冲射流。廖振方教授（1989）研制了用于石油钻井钻头的自激脉冲喷嘴，进行了大量的试验和理论研究［3、4］，认为振荡腔直径和长度，上、下游喷嘴直径、碰撞壁型式等结构参数对脉冲幅值有直接影响，并在一定的工作压力范围内给出了喷嘴结构的优化比值。由于在计算中没有考虑相变因素，故在频率的定量预测方面存在不足。李江云等（2004）在研制大型油罐底泥自动清洗自激脉冲喷嘴时，对低压低频脉冲射流进行了二维数值模拟和装置试验，首次利用周期性相变原理重新解释自激腔体脉冲发生机理，并发现低频脉冲射流形式表现为射流束的周期性密实与发散［5］，这与高压高频脉冲射流的高速不连续射流团有很大不同，研究还指出自激振荡腔的长径比不同空化带形状也有所不同［5］，但对相变周期性的计算还不够精确，因此进一步的非定常三维空化模型尚有待研究。 （2）数值模拟理论 由于涡动力学的数值计算方法尚未能达到解决高雷诺数下三维复杂波涡问题的实用阶段，故本课题对于数值理论的研究仅涉及湍流模型和空化模型，虽然目前尚未有人在研究拟序结构时考虑汽液相变问题，但关于该现象所涉及的湍流数值模拟及空化模型理论已有大量的研究成果。 a) 湍流数值模拟研究 湍流中拟序结构的发现已达半个多世纪，它是湍流脉动除随机性之外的又一本质性流动特征。通过对湍流拟序结构的研究，人们能更全面和深入地认识湍流发生、发展和演化的过程，了解和掌握各种尺度涡结构对雷诺应力、质量能量的影响。若把湍流脉动分为拟序扰动和拟序脉动两种相互独立的随机过程，从能量输运的角度可认为拟序扰动以大尺度展向涡为主，而拟序脉动是完全不规则的小尺度脉动。基于上述认识，有三种不同精细程度的湍流运动数值模拟方法，即直接数值模拟DNS（微观）、大涡模拟LES（细观）及雷诺平均数值模拟RANS（宏观）。［6］ 一般工程上只需要预测湍流的统计量，多采用RANS，为使雷诺平均方程封闭，必须引入雷诺应力的封闭模型，如广泛采用的模型系列与壁函数联合使用的方法就解决了许多工程问题。其中各向同性的标准模式，因无法反映平均涡量的影响，在本问题的求解中受到限制；而非线性模式虽然是各向异性模型，但仍没有包括雷诺应力松弛效应，且在平均切变率很大的流场中模式有可能不满足真实性条件。大多二阶矩模式抛弃了基于局部平衡的涡粘系数的概念，而基于雷诺应力输运方程模拟雷诺应力的历史效应，诸如流线曲率、旋转系统等非局部性效应均可包含在雷诺应力的输运方程之中，因此能够较好地预测复杂湍流，然而它在雷诺应力再分配项的模拟中，快速项仍然采用局部性假定，因此对于强非均匀湍流场的预测会产生明显的偏差。由于湍流模型是实用性模型，目前尚没有一个模式能够对所有湍流运动给出满意的预测结果，但包含的脉动结构信息越多的模型其适应面就越广。此外，LES作为一种细观模拟手段，其基本思想是对流动的大尺度脉动（涡）进行直接求解，对近似各向同性的小尺度脉动（涡）采用亚格子 (SGS) 模型进行模拟，其难点包括对空间发展流动边界条件的正确设定，其提供的流动信息仅次于DNS。DNS和LES都被认为是研究湍流拟序结构的有力工具［7］。 b) 空化模型及相变机理研究 在考虑空化发生后的汽液两相湍流问题时，多将汽液看作混合相以采用混合模型（Mixture Model），即采用混合相的连续方程、动量方程、汽液体积分数方程联立求解。其体积分数通常采用Rayleigh-Plesset汽泡增长模型确定，在判断空化或凝结发生标准时只考虑压力因素，即当地压力低于汽化压力时，汽泡体积增加，而高于汽化压力时，体积缩小直至溃灭。然而，事实证明空化发生不仅与压力有关，与流体速度梯度、温度以及非平衡热力学方程中的吉布斯自由能也有关系，国内外学者对此作了大量的研究工作。这些工作对复杂湍流尤其是高速剪切射流中的相变问题意义重大。德国学者C.Vortmann，G.h.Schnerr等在非平衡状态下，利用Achenbach和Muller的“记忆合金”（memory alloys）的概念，重新定义了空化判别标准，并基于渠道试验条件认为汽液相变弛豫时间的参考值为0.1s［8］；王国玉等［9］提出广义密度概念，将汽液视为一种广义相物质，仅仅由于分子间距不同而产生表现形态的不同，并通过压力来确定广义相的密度。其他学者也试图从不同角度对空化模型进行改进研究，在模拟高速射流空化问题时取得了较好的结果［10、11］。K. Pianthong等考虑了激波对超声空化射流的影响［12］，Adel K. El-Fiqia等研究了脱盐装置的过热射流闪蒸汽化效率［13］。Yamamoto,K.等利用流体扰动自激现象设计了流体流量计［14］。但这些学者的研究均未直接涉及空化凝结范围较大且相变频繁的自激问题，而该问题对时间量的计算精度要求较高，除此之外，三维、表面张力、粘性、湍流脉动及噪声等因素应尽量予以考虑，因此上述模型仍需作突破性改进。而突破性的改进应归结为对汽液相变弛豫特性的研究，目前国内外针对记忆合金相变弛豫特性的讨论文献较多【15】，且主要是基于温度变化的相变能耗问题。而本课题涉及基于压力波动产生的汽液相变，虽然已有学者基于非平衡态热力学和唯象理论对汽液相变机理进行了大量研究[16、17]，也有人注意到相变对流场是有影响的[18]，但对于由涡环引发的压力波动下的汽液相变弛豫特性及其对自激脉冲特征的影响等问题，国内外还很少涉及。 课题认为，在湍流模型、空化模型及其计算方法仍不完善的前提下，从动态非平衡的角度，分析影响相变的主要因素，并建立它们之间的量化关系，建立更为完善的空化判别标准，该标准应考虑压力、速度梯度、温度、吉布斯自由能及其对相变弛豫时间的影响等，考虑因素越全面，对相变过程的模拟就越精确[19]。此外，关于喷嘴结构和入口边界条件对自激射流St数的影响已有较深入的研究[20、21]，表明只要找到自激喷嘴腔体结构与通过相变频率反映出来的自激频率的定量关系，即可通过设计可调喷嘴对脉冲射流进行频率调制。 主要参考文献： ［1］ Eugene B. Nebeker, Standoff distance improvement using percussive jets, 12th WJTA, 2000:28-44 ［2］ M. Mazurkiewicz, An analysis of one possibility for pulsating a high pressure water jet, 10th WJTA,1998:17-27 ［3］ 廖振方、唐川林，自激振荡脉冲射流喷嘴的理论分析，重庆大学学报（自科版）[J]，2002.Vol.25(2):24－27 ［4］ 廖振方、唐川林，张凤华，自激振荡脉冲射流喷嘴的试验研究，重庆大学学报（自科版）[J]，2002.Vol.25(2):28－32 ［5］ 李江云、王乐勤等，低压大直径喷嘴自激脉冲射流空化模型，工程热物理学报[J]，2005.Vol.26(3):438-440 ［6］ 范全林、王希麟等，圆湍射流拟序结构研究进展，力学进展［J］，2002.Vol.32（1）:109-116 ［7］ 张兆顺，湍流[M]，国防工业出版社，2002.1 ［8］ C. Vortmann, G.H. Schnerr, S. Seelecke, Thermodynamic modeling and simulation of cavitating nozzle flow, International J. of Heat and Fluid Flow 24(2003):774-783 ［9］ Guoyu Wang. Senocak I. etc. Dynamics of attached turbulent cavitating flows, Progress in Aerospace Sciences 37(2001):551-581 ［10］ Kunz RF, Boger DA, Stinebring DR, Chyczewski TS, etc. A preconditioned Navier-Stokes method for two-phase flows with application to cavitation prediction. Compute Fluids 2000;29:849-75 ［11］ Weixing Yuan, Jurgen Sauer, Gunter H. Schnerr, Modeling and computation of unsteady cavitation flows in injection nozzles, Mec. Ind. (2001)2:383-394 ［12］ K. Pianthong, S. Zakrzewski, M. Behnia , B.E. Milton , Characteristics of impact driven supersonic liquid jets, Experimental Thermal and Fluid Science 27 (2003):589–598 ［13］ Adel K. El-Fiqia, N.H. Alia, H.T. El-Dessoukyb, H.S. Fathc, M.A. El-Hefnic, Flash evaporation in a superheated water liquid jet, Desalination 206 (2007):311–321 ［14］ Yamamoto,K.,Hiroki,F,and Hyodo,K.,Self-sustained Phenomena of Fluidic Flowmeters, Journal of Visualization,1999.Vol.1(4):387-396 ［15］ 吴青云、宫晨利、廖军，Cu-Al-Ni-Mn-Ti合金相变弛豫特性的研究，合肥工业大学学报[J], 2008.Vol.31(1)：93-95 ［16］ 王洪利、马一太、李敏霞、汪耀东，汽液相变及亚稳态理论研究，工程热物理学报[J]，2008.Vol.29(6): 901-904 ［17］ 吴双应、丹苓、李友荣，汽液相变系统的平衡稳定性分析，热能动力工程[J]，2005.Vol.20(5): 486-488 ［18］ 王美利、罗喜胜、杨基明，非定常膨胀过程中水蒸汽凝结对流场影响的数值分析，计算物理[J]，2006.Vol.23(1): 109-114 ［19］ 许文编著，高等化工热力学［M］，天津大学出版社，2004.1 ［20］ J. Mi, G.J. Nathan, Self-excited jet-precession Strouhal number and its influence on downstream mixing field, Journal of Fluids and Structures 19 (2004) 851–862 ［21］ J. Mi, G.J. Nathan, C.Y. Wong, The influence of inlet flow condition on the frequency of self-excited jet precession, Journal of Fluids and Structures 22 (2006) 129–133 2 项目研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题 （一）研究内容 基于对自激振荡腔内脉冲发生机理的初步分析，建立非平衡态三维非定常空化模型，结合湍流模型，建立自激振荡腔内流场的控制方程及求解途径，并对自激振荡腔流场的大尺度涡环拟序结构进行数值模拟，探索拟序结构和汽液相变的协同关系。 利用数值试验结果，分析工作压力，喷嘴直径、流速以及振荡腔结构型式、腔长、腔径对脉冲频率的影响。设计腔长可调的自激脉冲喷嘴，通过调节腔长获得预期频率，进行不同压力等级、喷嘴直径、腔体结构及自激频率下的装置性能试验，验证改进后的空化模型及数值计算方法的正确性，并针对不同压力等级下的自激射流的打击效果进行相关试验和评价，为工业应用提供可靠数据。 将自激振荡腔汽相体积分数进行由时域向频域的转换，并与试验测试和理论估算结果等多方数据进行对比分析和验证，以获得关于激振主频与自激振荡腔结构的对应关系，最终为自激脉冲喷嘴的频率调制提供理论依据。 （二）研究目标 （1）通过对水介质在非平衡态下相变的影响因素分析，考虑压力、速度梯度和汽液相变弛豫时间的影响，建立基于新的空化标准的三维非定常空化模型； （2）完成对1～5MPa压力等级、4～25mm喷嘴直径、自激主频小于1Hz的自激振荡腔数值模拟试验和物理模拟试验，提出与大尺度涡环拟序结构形成有关的振荡腔结构及运行参数的配套关系，找出不同压力等级下，振荡腔内周期性相变对对称涡环拟序结构的影响规律及发生相变的必要条件。 （3）提供一套可应用于实际工程的自激脉冲喷嘴设计及频率调制方法，即根据水力清洗需要对自激喷嘴运行参数和结构参数进行优化设计，并正确预测其有效靶距和打击力。 （三）拟解决的关键问题 自激振荡腔内包含三维周期性相变、大尺度涡环拟序结构、汽液相变、波涡共振等一系列极其复杂的湍流问题，目前还无法完全从数值理论上加以解决。寻找涡环相变与涡环频率之间以及涡环结构与自激振荡腔结构之间的相关关系，可以成为解决本课题的突破口。为此，课题拟解决以下三方面的关键问题： （1） 压力快速变化下的脉冲射流空化凝结标准的确定 根据热力学理论，计算区域的压力快速变化的非平衡态下（如压力从105Pa降至800Pa并回升一次的变化周期是∆t=0.5×10-3s），汽化压力随密度的变化不再是一条近似等于平衡态汽化压力的平稳实线。当瞬时压力已降低至平衡态的汽化压力时，水分子处于过热非平衡态，当它还来不及到达平衡态时，压力继续降低，使得发生空化的实际压力低于平衡态的汽化压力；反之，当瞬时压力回升至平衡态汽化压力时，汽体处于过冷非平衡态而未凝结，压力继续回升，使得发生凝结的实际压力可能高于平衡态的汽化压力，这样同一个压力水平上根据压力变化速度和途径，介质密度不同。即同一位置出现同一压力时，介质可能是汽相也可能是液相。因此压力并不能成为空化判别的唯一标准。众所周知，热力学相律是通过搜索吉布斯自由能的极小值来获得相平衡的，因此研究相变标准的突破口是对吉布斯自由能的分析。根据水介质汽液相变弛豫特性理论，进一步分析计算实际射流在压力快速变化下相变的弛豫时间，对于判断汽液相变模拟结果在时空上的合理性是非常关键的。 （2）湍流模型与空化模型网格尺度配合问题 考虑空化问题时，以包含若干水分子的分子束为单位去考查因压力变化而产生的变形问题，随着水分子间距的变化，分子束所占体积也发生变化，流体比容因此而不同。相的状态就是通过设定汽液相变过程中，液相平衡态下的临界比容来定义的，此时吉布斯自由能最低。因此，为捕捉初生空化所需要的最大网格尺度如何与湍流模型的最小尺度匹配，将是本课题拟解决的关键问题，它关系到计算的收敛性以及收敛结果的合理性。 （3）相变体积分数场分析及其结果的频域转换 课题欲另辟蹊径采用涡环相变规律反应自激波涡系统的频率，这一思路的实现，有赖于对周期性相变汽相体积分数场的时域分析，及其与频域的合理转换。而由于振荡腔内对称大尺度涡环的运动，低压汽化区的位置可以沿流向前后变动，汽相体积分数也跟随着涡环的运动而变化，因此必须合理地分析相变参数场，找出正确反映脉冲射流的频率成份。 3 拟采取的研究方案及可行性分析 （一）拟采取的研究方案 根据研究内容及目标，理论研究技术路线包括两个方面的问题，其一是改进空化模型及其配套湍流数值模拟的研究；其二是建立相变体积分数场与宏观自激脉冲频率的转换关系。课题的装置试验研究与相关理论研究必须紧密配合，以实现数据的相互印证和支持。具体方案如下： （1） 改进空化模型研究方案 课题拟采用临界比容作为新的空化凝结发生标准来处理非平衡态的相变问题。由纯物质相变热力学可知，相变产生时不同相的摩尔吉布斯自由能必须相等，当两相温度和压力发生变化时，其摩尔吉布斯自由能的变化也必然相等。在临界点的介质，其汽液共存相是不可分辨的，趋近临界点时，熵变、焓变和体积变化都趋于零。除临界点外，汽液相变越过共存曲线时，某些热力学性质不连续，即两个共存相的热力学性质具有不同的数值，但是根据平衡判据，吉布斯自由能在相变临界点上是连续的。因此可以通过对不同单相状态的吉布斯极小值及其邻近点的研究，给出液、汽两相的平衡态（stable single phase）、亚稳态(metastable)以及汽液临界非平衡态(unstable)的关键参数，以此确定介质的临界比容。由于纯物质两相共存系统只有1个自由度，摩尔比容的确定就意味着临界状态的所有参数都确定了。在采用临界比容作为空化标准时，应同时考虑相变弛豫时间的作用。 （2）配套湍流模型研究方案 关于湍流数值模拟的问题，单纯从方法上而言，DNS和LES都是描述拟序结构强有力的工具，但是由于计算能力的限制，无论是DNS还是LES目前尚无法解决如此复杂的三维受限空间的非定常湍射流问题。由于我们关心的仍是宏观意义上的大尺度涡环，因此第一套研究方案是基于统计模型概念，采用可描述各向异性的非线性系列或系列，配合壁函数进行问题求解，由于各种湍流模型的应用较为成熟，因此将各种湍流模型、壁函数与改进空化模型的配合及其非定常方程的求解作为研究重点。 大涡模拟基于细观的湍流数值模拟方法，考虑相变标准时，需要建立分子束运动的最大网格尺度与惯性子区尺度的联系，因此本课题的第二套研究方案是采用三维受限空间高速非定常射流的大涡模拟与改进空化模型联合求解。关于模拟的网格尺度问题，考虑用惯性子区所需尺度来统计空化模型网格单元的分子束数目，并将单元内分子束的状态参数进行统计平均，形成有统一状态参数的计算单元。 （3）数值计算后处理方案及理论验证 对自激振荡腔体进行数值计算的目的是寻找能反映自激主频率的非定常相变体积分数，并分析其与振荡腔特征结构参数（如振荡腔长径比）的函数关系，因此需对时域上的关键空化带上相变的总体积分数进行频域转换。通常利用傅里叶变换可以完成上述工作；而根据对称涡环结构可估算关键空化带范围。为验证预测主频的可靠性，拟通过建立自激喷嘴结构尺寸与喷嘴固有频率的定量关系首先从理论上进行比对分析，最后用试验测试结果进行验证。可基于常规方法建立喷嘴结构参数及运行参数与腔体固有频率之间的函数关系，而与固有频率相近或成倍数的激励频率即应为该自激喷嘴的主频，由此可理论推算振荡腔自激频率。 （4）自激脉冲喷嘴射流装置试验方案 基于前期研究成果，本次试验采用高扬程离心泵（1～2MPa）和柱塞泵(2～5MPa)作为动力源；对压力等级为1～5MPa，上喷嘴直径为4～25mm，腔体直径90～400mm，腔体长度30～200mm（可调），根据上、下游喷嘴直径比、腔体长径比及腔体与上喷嘴直径比等参数的优化范围，以及锥形碰撞面进行自激脉冲喷嘴装置性能试验，主要测试参数为上、下喷嘴瞬时压力及流量、腔体瞬时压力，及其在3～5个标准靶距上的打击力。试验分析项目拟包括：工作压力及系统输入功率对自激脉冲频率及打击力的影响，结构参数（腔体长径比、喷嘴直径比、腔体与喷嘴的直径比）对脉冲频率的影响，为正确评价喷射清洗装置的性能，试验还将对装置的动力效率、耗水量等经济指标进行评价。 （5）自激脉冲喷嘴的频率设计及调制方案 在相同的激振频率下，为合理分配射流能量，对打击时间与打击力峰值进行优化。射流动能相同情况下，能量输出的打击时间越短，或蓄能时间越长，则打击力峰值越大，但若时间过短，又无法对垢质形成有效打击，导致清洗效果不佳。因此必须合理设计打击周期。试验研究拟通过调节振荡腔的腔长来实现喷嘴自激频率的调制。 （二）项目可行性分析 随着目前湍流理论研究的深入及计算机技术的发展，宏观上研究湍流问题的软硬件条件在理论上已经基本具备。只要能找到适合非平衡态相变的更为合理的空化标准及模型，就可基于以往湍流数值模拟及空化模型框架，解决振荡腔内大尺度涡环拟序结构及伴随性周期相变问题。而通过这个问题的解决，振荡腔结构设计乃至自激脉冲喷嘴的频率设计将迎刃而解。 本课题的试验方案、装置设计及试验的实施，主要在武汉大学喷射技术试验中心完成，该中心是我国较早开始喷射技术试验研究的单位，其试验装备在国内处于领先地位，通过项目人员合理搭配及资源有效调配，有能力完成本课题该部分试验研究。由于课题研究不仅具有较高的理论价值，其研究成果还可直接转化为新技术、新设备应用于生产，因此也同时具有良好的研发动力和氛围。 4 本项目的特色与创新之处 （一）项目特色 课题以低压低频脉冲射流水力清洗为应用背景，将过去仅仅考虑射流打击力的设计思路，拓展到对打击频率的设计和调制。为此，基于前期研究中发现的振荡腔内的周期性相变现象，建立了自激脉冲相变与大尺度涡环运动规律的联系，提出将波涡自激系统的周期通过相变周期来反应的研究思路，进而利用相变周期进行频率预测，并据此在工程设计中实现频率调制，达到提高喷嘴性能，降低系统配套功率及承压等级的目的。 （二）创新点 （1）自激脉冲喷嘴的频率设计和调制思路 认为影响水射流清洗效果的因素除了打击力之外，还有打击频率，由此提出针对清洗对象最佳打击频率的自激脉冲喷嘴设计方法，该方法在自激脉冲射流的其它工程应用领域，如切割、破岩、钻探工程等具有重要的推广价值。 （2）对非平衡态的空化模型进行改进 采用纯物质临界比容作为汽液相变判别标准，在压力快速变化及高速剪切射流下，考虑流动的速度梯度和介质的热力学状态及物态参数，并考虑引入相变弛豫时间，为建立更精确的空化模型，改善周期性相变计算结果的精度及收敛性奠定了基础。 （3）采用涡环区的周期性相变进行脉冲频率预测 不同的压力等级下，纯物质相变状态的非平衡强度是不同的，因此带来一系列有趣的课题，即在不同压力等级下，自激脉冲发生机理不完全相同。由于低压低频射流压力波动周期时间较汽液相变弛豫时间长，边界层所激发的不稳定波涡受到来自于汽液相变的影响，尤其是空泡的溃灭强化了自激脉冲效果，课题发现了这一现象，并利用该特点为定量预测自激频率提供了一条新思路。 5 年度研究计划及预期研究结果 （一）年度研究计划 本课题预计用三年时间完成。其中部分理论研究工作已在进行之中，具体研究计划和进展如下。 2010年1月~6月：建立非平衡态空化模型，研究临界比容及弛豫时间空化判别标准，结合湍流模型建立控制方程组及数值求解步骤，编制空化模型求解模块； 2010年7月～12月：在进行数值理论研究的同时，建立自激脉冲喷嘴频率设计理论，提出不同工作条件的自激脉冲射流试验方案，对低压低频工况采用典型结构形式的自激振荡腔进行数值试验和物理试验。结合数值计算和试验成果，分析结构对腔内湍流大尺度拟序结构及相变的影响，完成试验研究报告以及相关科研论文1篇。 2011年3月～10月： 对振荡腔内周期性相变的数值结果进行时域和频域的分析，结合试验中对喷嘴出口压力、靶盘打击力瞬态值的测试结果进行频域转换方式的研究，完成相关论文1篇； 2011年11月～2011年3月：建立喷嘴固有频率与结构参数的关系，完成相关科研论文1篇； 2012年4～9月，数值理论研究的同时，对第一阶段试验的优化结果进行重现性试验，进行有关设计软件的开发，完成有关试验结果分析论文2篇，申请可调频率自激脉冲喷嘴发明专利1项。期间参加该年度国际水射流技术协会（WTJA）年度会议进行学术合作交流。 2012年9～12月，整理成果，组织项目鉴定。 （二）预期研究成果 课题研究预期成果主要包括建立非平衡态空化理论及湍流模型的数值理论，数值计算软件和优化设计软件的开发。成果形式包括装置试验研究报告、在国内外权威期刊上发表学术论文5篇、低频自激脉冲喷嘴系列频率设计软件产品1套，所设计的可调频率自激脉冲喷嘴申报国家专利1项，培养博士生2名、硕士生2名。 二、研究基础及工作条件 1、 研究基础 申请者为浙江大学动力工程及工程热物理流动站出站博士后，在站期间从事大型原油罐罐底油泥机械化清洗设备的技术研究工作，作为技术负责人完成了低压大流量自激脉冲喷嘴的试验研制，试验中对不同参数组合的脉冲喷嘴进行过系统的性能试验。首次提出低压大直径下，伴随性周期相变作用的自激脉冲发生机理。通过对国内外大量文献的研究发现，采用目前通行的完全空化模型进行数值模拟往往不易收敛，其原因是模型中的空化凝结标准仅用平衡态气化压力来判别，虽然他们依据各自试验数据来修正误差，但由于基本理论不完善，始终未能找到一个普遍适用的方法，为此申请者初步提出关于相变过程的判别标准，即汽液相变除了与压力有关外，速度梯度的影响至关重要，并建立了考虑速度梯度的空化压力判别标准。通过数值模拟得出定性结论：相同条件下流场速度梯度越大越容易发生空化，反之则不易发生。基于上述理论进行了二维非定常数值模拟，对自激振荡腔结构与涡环型式特点和频率的关系进行了初步分类。 2、 工作条件 立项单位武汉大学是一个实力雄厚的综合性大学，拥有水资源与水电工程科学国家重点实验室拥有流体机械与工程、水利工程等多个相关博士点学科，承担了大量国家及省部级重大应用基础、工程研究项目及国际合作项目。实验室现有中国工程院院士3人，“973”项目首席科学家1人，在岗长江学者特聘教授1人，研究队伍基本素质高，结构合理。与试验项目研究相关的喷射技术研究中心设有流体机械及工程专业博士点及博士后流动站，设有脉冲射流模型、原型装置试验台、喷射制冷试验台，流体力学仿真工作站。课题组研究人员在喷射技术及数值模拟方面有多年工作经验和积累；近二十年来，在射流泵及高压水射流等工程领域承担多项试验科研任务。本项目中承担自激喷嘴脉冲试验研究及数值仿真研究。 3、 申请人简历 项目组负责人：李江云 武汉大学教授、博导，武汉大学流体机械及工程专业博士，浙江大学材料与化学工程学院博士后，中国流体机械学会喷射技术学会委员。主要从事流体机械及化工过程机械专业的教学与科研工作。博士研究期间，建立并发展了非定常气液区域性异质及汽液两相流在非定常工况下的数值模拟理论，提出气液两介质定常振荡流的修正特征线法；并结合工程需要不断创新，首次提出并采用压缩空气断流方法，解决了大型排水泵站高水位下机组启动、运行及停机等技术难题，创造了巨大的经济和社会效益，获2005年湖北省科技发明奖。所承担10台单机1600kW湖北新滩口大型泵站流道改造科研工作得到各级主管单位及设计院好评，基于数值仿真及模型试验研究得出簸箕形进水流道方案已于2007年付诸实施。近三年来，主持国家科技部科技攻关计划课题、国防科工委十一五攻关项目、浙江省自然科学基金重点项目及面上项目多项。博士后工作期间，主要从事我国大型工业油罐自动清洗及分离回收成套技术国产化问题的项目研究。本项目中负责湍流拟序结构和湍流空化模型的数值建模及计算方法，并承担试验方案规划及装置设计，分配并协调项目单位及人员的工作等。 主要相关代表作： ［1］ 李江云，低压脉冲射流装置的数值理论及应用研究，浙江大学博士后论文，2004.3; ［2］ 李江云、薛胜雄、周其源，超高压纯水射流除锈机的数值模拟[J]，武汉大学学报（工学版），Vol.40(1), 2007.2: 48-52 ［3］ 李江云、王乐勤、徐如良、焦磊，低压大直径喷嘴自激脉冲射流空化模型，工程热物理学报[J], Vol.26(3), 2005.5: 438-440 ［4］ 李江云、徐如良、王乐勤，自激脉冲喷嘴发生机理数值模拟，工程热物理学报[J], Vol.25(2), 2004.3: 241-243 ［5］ 李江云、王乐勤，两介质段瞬变流的修正特征线法，工程热物理学报[J]，Vol.24(2) 2003.3: 244-246 ［6］ 李江云，气液活塞泵数值计算的修正特征线法，水利学报[