加入激励器的超音速气体雾化喷嘴共振特性数值研究

摘要

在金属喷射成形工艺中，喷射雾化是指熔融金属液体在高速气流的冲击下破碎形成微滴或雾滴的一种重要技术，雾化喷嘴是实现喷射雾化的重要部件。目前应用较多的超音速雾化喷嘴包括超音速气体雾化喷嘴(USGA喷嘴)和高压气体雾化喷嘴（HPGA喷嘴）等。本文借助于商业CFD软件FLUENT，采用SIMPLE算法数值求解二维非定常可压缩雷诺平均N-S方程组，应用Spalart-Allmaras模型处理湍流，对USGA喷嘴流场展开研究。主要包含两部分内容：
　　 1)无激励器的USGA喷嘴流场的数值模拟
　　 在验证了计算工具的可靠性后，研究了未加入激励器时USGA喷嘴中压力波在共振管和二级共振管之间交替振荡的传播过程，探讨脉动频率与各段管长之间的关系，分析来流总压比对频率和振幅的影响。计算结果表明USGA喷嘴各部分管长特征对脉动频率有不同的作用；当共振管和二级共振管等长时，脉动频率可由线性声学理论公式计算；而总压比对喷嘴内气流的振动频率影响不大，但总压比过小时脉动现象则不会发生；喷嘴出口的脉动振幅会随着总压比的增加先增大而后减小。
　　 2)在USGA喷嘴中加入主动激励器以后的共振特性
　　 在USGA喷嘴的共振管底端加入主动激励器，研究了激励信号的频率、相位和振幅对喷嘴振动特性的影响；移除主激励器，而在喷嘴的二级共振管底端加入副激励器，研究了激励信号各参数对脉动性能的影响；同时加入主、副双激励器，讨论了激励信号之间相位差与脉动振幅之间的关系。计算发现USGA喷嘴具有多个对应于不同振动模式的共振频率，通过分析可以发现这些共振频率中基本的频率只有两个，分为局部的和整体的，它们源自于气体振动特征对USGA喷嘴几何结构的倚赖关系，其中局部的脉动由共振管的几何性质主导，而全局的脉动则由USGA喷嘴流道的整体构形所决定；当USGA喷嘴中采用双激励器激励时，发现激励信号之间存在的相位差对喷嘴出口气流脉动振幅的影响较大。