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，该射流具有压变率大、无外驱动结构以及空化作用强的特点，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[1-3]。鉴于振荡脉冲射流强大的破坏力，可将该技术应用于低渗透高瓦斯煤层水力增透领域，本文采用数值模拟的方法研究振荡脉冲射流的流程变化规律。

1 脉冲腔室频率数学模型

脉冲空化效应的大小和射流动能的强弱决定了振荡脉冲射流对煤体的冲击效果，特别是脉冲的频率对冲击煤体的效果尤为重要。结合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1所示。已有研究表明，为了提高脉冲的效果，在设计脉冲装置时，其运行参数和结构参数是关键技术难题，在图1中定义了振荡脉冲运行时喷嘴入口的流速V1和压力P1，结构参数有：脉冲腔体长度为Lc、腔体直径为Dc、下喷嘴锥度α和腔体上、下喷嘴的直径分别为d1、d2。

图1 振荡脉冲发生装置结构示意

根据流体网络理论[4-6]，似稳假定模型得：

流阻为：

流容为：

流感为：

式中：v为喷嘴平均速度，m/s；ζ为喷嘴局部阻力系数，为比阻；Cf为喷嘴流量系数，为上喷嘴入口前直管段长度；d0为直径，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。

图2 振荡脉冲发生集中参数等效模型

结合初始条件，可得到该系统的压力传递函数，进而得到喷嘴固有圆频率(参考图2)为[7-8]:

将式(1)～(3)代入式(4)，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[9-10]：

式中：α' 为腔体内的空隙度；K1为腔体内液体(水)的体积弹性模量,Pa；ρm为腔体内气液混合流体的密度，kg/m3；Dm为振荡腔内混合流体边界膨胀模量,Pa;P为瞬时压力，Pa。

由式(5)可以看出，通过增大上、下喷嘴直径比d2/d1，振荡发生装置固有频率升高。由于自由剪切层的非稳态，可定义一个Strouhal数为：

式中：L为振荡腔室的长度，mm；f为振荡扰动的频率；u0为动量；Sd为马赫数；Sl为雷诺数；d为腔室内径。

振荡腔室内的流体流动过程中，流体初始扰动频率与腔体内自激振荡脉冲频率相同，如果腔体内自激振荡脉冲频率与腔室固定频率成倍数关系，则喷嘴与射流将发生共振现象，从而使得振荡脉冲效果最大化。

2 振荡脉冲流场数值模拟研究

2.1模型构建

2.1.1 几何模型及网格划分

采用流体数值分析软件FLUENT进行求解，几何模型尺寸见图3(a)，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，具体划分情况见图3(b)。

图3 振荡器内部尺寸及有限元模型

2.1.2 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方程组选择压力耦合方程半隐的求解方法，振荡腔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。

根据空化形成理论，当流体压力低于饱和蒸汽压力状态时，腔体内的流体开始产生空化效应。在振荡器内的高速及高压流动的流体，由于流道形状的突变，流动压力急剧变化，流体边界层的分离使振荡器内形成大面积的空化区域，大量的空化气泡出现在水射流流经区域，因此在选择Mixtrue Model两相流模型的前提下需添加空化模型(Cavitation Model)。

2.2振荡流场特征分析

2.2.1 腔内水压分布

入口水压分别为5.0 MPa、20.0 MPa时，振荡器内部流场特征云图如图4和图5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处增大分布；腔内流速在靠近出流口锥角处漩涡明显，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。

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