壁面微缺陷影响下的介观尺度冲击射流流场特性

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.10.007

摘要/Abstract

摘要：

为研究射流管阀喷嘴-接受器前置级长期服役后，冲蚀磨损及气穴气蚀现象造成的微缺陷对流场流动规律和流体能量转换特性的影响，利用显微粒子图像测速技术对原始介观尺度近距离射流冲击微缺陷靶板时方腔内的流动结构和涡旋分布进行直接试验观测，探究了微缺陷大小、形状与位置对涡旋形态及其演化规律的影响，揭示了方腔内涡核分裂与归一现象背后蕴含的机理。研究结果表明：壁面微缺陷的存在直接影响壁面射流能量的传递与耗散，导致射流间隙和方腔内的涡旋结构和能量分布与无缺陷时显著不同；随着微凹坑尺寸的增大，两侧方腔内类圆形涡旋对呈现出逐渐分裂并远离底部壁面的趋势；而随着微凸起尺寸的增大，两侧方腔内类茧形涡旋对呈现出逐渐归一并靠近底部表面的演化规律。

关键词: 射流管伺服阀, 介观尺度, 冲击射流, 微缺陷, 显微粒子图像测速（Micro-PIV）

Abstract:

In order to study the effects of micro-defects caused by erosion wear and cavitation on flow field law and fluid energy conversion characteristics after long-term service of the nozzle-receiver pilot stage of the jet pipe servo valves. Micro-PIV technology was used to directly test the flow structure and vortex distribution in the square cavity when the original mesoscopic close-range jet impacted the micro-defect target plate. The influences of micro-defect size， shape， and location on vortex morphology and the evolution were investigated， and the underlying mechanism governing the splitting and merging phenomena of vortex cores within a square cavity were elucidated. The results show that the existence of wall micro-defects directly affects the energy transfer and dissipation of the wall jets， leading to a significantly different vortex structure and energy distribution in the jet gap and square cavity than that when there are no defects. As the size of the micro-concave increases， the circular-like vortex pairs in the square cavity on both sides show a tendency to gradually split and move away from the bottom wall. While as the size of micro-convex increases， the cocoon-like vortex pairs in the square cavity on both sides show an evolutionary law of gradually normalization and moving closer to that of the bottom wall.

Key words: jet pipe servo valves, meso scale, impingement jet, micro-defect, micro-particle image velocimetry（Micro-PIV）

中图分类号:

TB126

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图/表 12

图1 集成块3D-CAD爆炸图

Fig.1 Integrated block 3D-CAD explosion diagram

图2 射流冲击微缺陷靶板原理图

Fig.2 Diagram of jet impingement on micro-defect target plate

表 1 雷诺相似计算

Tab. 1 Reynolds similarity calculation

参数	原始模型	试验模型
工作介质	15号航空液压油	水
密度ρ/（kg·m $- 3$ ）	855	998.2
动力黏度μ/（Pa·s）	0.0125	0.001 003
喷嘴孔径d/mm	0.2	0.2
流量q_V/（mL·min $- 1$ ）	450	29.99

表 1 雷诺相似计算

Tab. 1 Reynolds similarity calculation

参数	原始模型	试验模型
工作介质	15号航空液压油	水
密度ρ/（kg·m $- 3$ ）	855	998.2
动力黏度μ/（Pa·s）	0.0125	0.001 003
喷嘴孔径d/mm	0.2	0.2
流量q_V/（mL·min $- 1$ ）	450	29.99

图3 喷嘴和冲击靶板的详细尺寸

Fig.3 Detailed schematic diagram of nozzle and impact target dimensions

图4 冲击射流试验系统

Fig.4 Impact jet test system

图5 图像后处理流程

Fig.5 Image post-processing process

图6 不同微缺陷下腔内时均速度场（H/d=2.5）

Fig.6 Time-averaged velocity field inside the cavity under different micro-defects（H/d=2.5）

图7 不同微缺陷下腔内涡核分布（H/d=2.5）

Fig.7 Vortex distribution inside the cavity under different microdefects（H/d=2.5）

图8 不同微缺陷大小下腔内时均速度场

Fig.8 Velocity field inside the cavity under different sizes of micro-defects

图9 不同微缺陷大小下的方腔涡核分布

Fig.9 Vortex distribution inside the cavity under different sizes of micro-defects

图10 不同微缺陷位置下腔内时均速度场（D/d=4）

Fig.10 Velocity field inside the cavity under different micro-defect positions（D/d=4）

图11 不同微缺陷位置下腔内涡核分布（D/d = 4）

Fig.11 Vortex distribution inside the cavity under different micro-defect positions（D/d = 4）

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