為了提高自激脈沖噴嘴的射流性能,利用CFD對自激脈沖噴嘴進行流場的數(shù)值分析,并與響應(yīng)面法相結(jié)合對噴嘴結(jié)構(gòu)進行全局優(yōu)化。建立以噴嘴進口直徑d₁、出口直徑d₂、腔長L_c、腔徑D_c為設(shè)計變量,以打擊力F為目標函數(shù)的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型;通過對建立的數(shù)學(xué)模型進行分析,獲得噴嘴結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù);最后對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行對比分析,得到優(yōu)化后的噴嘴在射流性能上有顯著的提高,其打擊力提高約20%;并且通過分析因素交互作用圖,得到各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流性能的影響規(guī)律。 

【文章來源】：機械科學(xué)與技術(shù). 2019,38(09)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

自激振蕩脈沖噴嘴結(jié)構(gòu)

緯陜齔逕淞鰨?詈笥上?噴嘴流出。而噴嘴結(jié)構(gòu)直接影響著噴嘴脈沖的性能，因此，本文通過對噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以此來提高其性能，其中碰撞中心角采用最佳碰撞中心角120°［6］。圖1自激振蕩脈沖噴嘴結(jié)構(gòu)2有限元分析及模型準確性驗證2．1有限元模型的建立及邊界條件在ICEM中建立噴嘴的二維模型，以文獻［2］中所得的最優(yōu)噴嘴結(jié)構(gòu)為基準建立模型，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，并在距噴嘴出口450mm處建立一個靶盤以模擬實際沖擊。利用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對其進行網(wǎng)格劃分，建立的有限元模型如圖2所示。表1自激脈沖噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)d1d2DcLc尺寸/mm5.910.77236.6圖2自激脈沖噴嘴有限元模型將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中，采用VOF模型，設(shè)置主項為空氣，次相為水。上噴嘴設(shè)置為壓力入口邊界條件，進口壓力設(shè)置為4MP，噴嘴其他邊界設(shè)置為無滑移壁面邊界。外流場右側(cè)邊界設(shè)置為無滑移壁面邊界，其他邊界設(shè)置為壓力出口，壓力設(shè)置為101325pa。初始條件設(shè)置為噴嘴內(nèi)水的體積分數(shù)為1(噴嘴內(nèi)全是水)，噴嘴外部為空氣。由于PISO算法在求解瞬態(tài)問題時有明顯優(yōu)勢，因此采用PISO算法進行離散方程組求解，離散化方法采用有限體積法，由于QUICK格式在旋轉(zhuǎn)與旋流問題中能夠提供更好的準確性，因此離散格式選用QUICK格式，網(wǎng)格密度根據(jù)壓力梯度變化設(shè)為可調(diào)。由于本文噴嘴數(shù)值模擬為非穩(wěn)態(tài)，因此需進行網(wǎng)格無關(guān)性及時間獨立性驗證。利用表1結(jié)構(gòu)對網(wǎng)格模型進行驗證。以靶盤中心的最大打擊力作為輸出，可得驗證結(jié)果如表2所示。表2網(wǎng)格無關(guān)性檢驗結(jié)果網(wǎng)格數(shù)量802648666101156199202打擊力/N370423419431由結(jié)

機械科學(xué)與技術(shù)第38卷http://journals．nwpu．edu．cn/表3時間獨立性檢驗結(jié)果時間步0.0010.00050.0001打擊力/N4224234292．2有限元準確性驗證對上文中建立的有限元模型進行仿真分析，可得仿真壓力云圖如圖3所示，以及速度矢量圖，如圖4所示。由圖3與圖4可看出明顯的渦環(huán)和負壓腔，其在外流場的噴射情況也與現(xiàn)實中的情況相一致。圖3自激脈沖噴嘴總壓云圖圖4自激脈沖噴嘴速度云圖為了進一步說明模型的可靠性，以文獻［2］中的實驗數(shù)據(jù)對模型進行驗證，文獻［2］中分別對不同下噴嘴直徑d2進行試驗，獲得打擊力的變化規(guī)律，以F1、F2、F3、F4分別代表d2為8.4mm、9.6mm、10.8mm、12．0mm時的打擊力大小。當入口壓力為4MPa時，其規(guī)律為F2＞F4＞F3＞F1。利用有限元方法獲得相同結(jié)構(gòu)下的打擊力大小，其結(jié)果如表4所示。由表4可知，有限元方法能很好的表達出噴嘴實際情況下的變化規(guī)律。表4不同下噴嘴數(shù)值模擬打擊力值噴嘴直徑d2/mm打擊力/N8．2F1=472.409．6F2=493.1610．8F3=477.1112．0F4=487.433響應(yīng)面法在自激脈沖噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用3．1實驗優(yōu)化數(shù)學(xué)模型響應(yīng)面優(yōu)化法(ＲSM)是20世紀90年代西方所興起的一種實驗統(tǒng)計方法。通過響應(yīng)曲面等值線的分析尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，將復(fù)雜的未知的函數(shù)關(guān)系，在小區(qū)域內(nèi)用簡單的一次或二次多項式模型來擬合因素與響應(yīng)值之間函數(shù)關(guān)系的一種統(tǒng)計方法［8］。目前已在眾多領(lǐng)域有所運用。響應(yīng)面法最常用的實驗設(shè)計方法有中心復(fù)合設(shè)計(CCD)、Box-Behnken矩陣設(shè)計法(BBM)

【參考文獻】：
期刊論文
[1]應(yīng)用響應(yīng)面法對自卸車橋殼的接觸問題研究[J]. 孫永剛.  機械強度. 2015(06)
[2]響應(yīng)面法在試驗設(shè)計與優(yōu)化中的應(yīng)用[J]. 李莉,張賽,何強,胡學(xué)斌.  實驗室研究與探索. 2015(08)
[3]基于FEM和RSM的深穴圓柱滾子優(yōu)化設(shè)計[J]. 張杰,梁政,韓傳軍.  計算力學(xué)學(xué)報. 2015(03)
[4]自激脈沖噴嘴裝置試驗研究[J]. 王健,李江云,關(guān)凱.  工程熱物理學(xué)報. 2014(04)
[5]自激噴嘴多頻脈沖效果的試驗研究[J]. 王健,李江云,關(guān)凱,馬天佑.  工程熱物理學(xué)報. 2013(03)
[6]基于逐步回歸分析的隨機響應(yīng)面法[J]. 楊綠峰,楊顯峰,余波,李朝陽.  計算力學(xué)學(xué)報. 2013(01)
[7]用自適應(yīng)粒子群算法求解自激脈沖噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)模型[J]. 周利坤,劉宏昭.  吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版). 2012(06)
[8]壓力機桿系優(yōu)化求解的變量循序組合響應(yīng)面法[J]. 謝嘉,趙升噸,梁錦濤,馬海寬.  西安交通大學(xué)學(xué)報. 2012(05)
[9]自激振蕩脈沖射流噴嘴頻率特性實驗研究[J]. 唐川林,胡東,裴江紅.  石油學(xué)報. 2007(04)
[10]自激振蕩脈沖噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)配比試驗研究[J]. 王樂勤,王循明,徐如良,李江云.  工程熱物理學(xué)報. 2004(06)

碩士論文
[1]基于響應(yīng)面法的渦輪鉆具葉片優(yōu)化設(shè)計與研究[D]. 余世敏.西南石油大學(xué) 2016



本文編號：3407491