旋涡哨是一种流体动力型发声器, 气体和液体都可以作为它的动力源^[1]。加工方便, 结构简单, 牢固耐用, 是很有前途的哨, 目前已经用于冷却工业和燃油雾化^[2-3]。限制旋涡哨广泛应用的原因主要是其发声效率较低。早期研究表明, 旋涡哨结构与哨内流体特性对旋涡哨的发声频率和发声效率有很大的影响, 旋涡哨出、入口直径之比约为2:1时效率最好^[4-7]。近期相关研究指出, 出口直径和腔体直径之比、腔体高度以及出口管长度等对哨的发声效率和声学特性都有重要的影响^[8-9]。但传统旋涡哨由于结构缺陷致使其中的流体流阻较大, 声辐射效率较低。本文提出了一种改进型的旋涡哨, 通过数值模拟^[10-15]分析发现:其发声效率较传统旋涡哨有了显著提高。

1 旋涡哨简介

传统旋涡哨由进气管、出气管和圆柱形腔体3部分组成, 其结构如图 1所示。当气流沿腔体切向进入圆柱型腔体后, 会沿着腔壁快速旋转形成涡旋沿腔体轴向射出并发出超声波, 从出气口辐射到负载介质中。改进型旋涡哨如图 2所示, 主要差别是将原来圆柱形腔体流体出口端的平面腔壁改为圆锥形, 以降低流阻和减少腔中流体回流, 使气体更快地旋出腔体, 通过出气口辐射出去。

2 两种旋涡哨的数值模拟分析与比较 2.1 传统旋涡哨模拟分析

取出口管的半径和高度分别为5mm，15mm, 入口管的半径和长度分别为2.5mm，50mm, 出口管与入口管半径之比为2:1。腔体高度H分别取10mm，20mm，30mm，40mm和50mm, 腔体半径R分别取10mm，20mm，30mm，40mm和50mm。取入口压强为0.3MPa, 对不同R-H组合的旋涡哨分别进行数值模拟, 其轴线上的湍动能如图 3到图 7所示, 图中横坐标表示观察点在旋涡哨轴线上的位置, 坐标原点位于腔体底部, RxxHyy表示腔体半径为xx高度为yy的旋涡哨。

由图 3到图 7可以看出:旋涡哨轴线上的湍动能最大值都位于腔体与出口管的交界处。同一高度不同半径的旋涡哨其轴心上的湍动能差别较大, 也就是说腔体半径对旋涡哨的发声特性会有较大的影响。当腔体高度为10mm时, R50H10旋涡哨湍动能最大, 其最大值约为3 000m²·s^-2; 当腔体高度为20mm时, R20H20旋涡哨湍动能最大, 其最大值在5 500m²·s^-2以上; 腔体高度为30mm，40mm，50mm时, R20H30，R20H40，R20H50旋涡哨湍动能最大, 最大值都在6 000m²·s^-2以上。由此可见R50H10旋涡哨的湍动能最大值只是R20H30，R20H40，R20H50的一半, 也就是说R50H10旋涡哨发声特性将会远远低于R20H30，R20H40，R20H50的旋涡哨。腔体半径为10mm的旋涡哨轴线上的湍动能明显低于其他半径的旋涡哨, 并且在高度大于20mm之后出现两个峰值, 一个位于入口管中心高度即Z等于2.6mm附近处, 一个位于出口管与腔体的交界处。随着腔体高度的增加第一个峰值逐渐增大而第二个峰值逐渐减小, 当腔体高度为50mm时两个峰值几乎大小相同。

2.2 改进型旋涡哨和传统旋涡哨的模拟分析与对比

鉴于上述模拟分析结果, 这里只将腔体半径为20mm高度分别为20mm，30mm，40mm，50mm的传统旋涡哨与改进型旋涡哨进行数值模拟分析比较, 后者的圆锥形腔壁高度h=3mm。旋涡哨的命名如表 1所示。下文所有分析结果图中Z轴的意义与2.1节相同。

2.2.1 轴线上的速度

不同旋涡哨轴线上的速度分布如图 8所示, 速度最大值见表 2。由图 8可以看出:两种旋涡哨轴线上的速度变化趋势相同，都是先随着轴线高度的增大而增大, 到腔体与出口管的交界处为最大, 之后随着轴线的高度增大而逐渐减小。两种旋涡哨轴线上的速度随着腔体高度的增加都有轻微的增大, 但是腔体高度相同的改进型旋涡哨轴线上的速度比传统旋涡哨轴线上的速度更大一些。由表 2可以看出改进型旋涡哨轴线上速度的最大值比相应的传统旋涡哨提高了20%左右。

2.2.2 轴线上的湍动能和湍流强度

不同旋涡哨轴线上的湍动能和湍流强度分布如图 9和图 10所示, 湍动能和湍流强度最大值见表 3和表 4。

由图 9和图 10可以看出两种旋涡哨轴线上的湍动能和湍流强度都是先沿着轴线的高度上升, 在腔体与出口管的交界处为最大, 之后随着轴线高度的增大而减小。并且改进型旋涡哨轴线上的湍动能和湍流强度比传统旋涡哨更高。当腔体半径确定之后, 随着腔体高度的增大, 传统旋涡哨和改进型旋涡哨轴线上的湍动能和湍流强度的变化量很小, 这说明其他条件一定时腔体高度对旋涡哨的发声性能影响不大。并且传统旋涡哨和改进型旋涡都是在腔体高度为30mm, 半径为20mm的时候湍流强度和湍动能为最大。

由表 3和表 4可以看出, 与传统旋涡哨相比, 改进型旋涡哨轴线上的湍动能和湍流强度的最大值分别提高23%以上和12%以上; H为20mm的旋涡哨经过改进后湍动能和湍流强度的增长率比其他高度的旋涡哨更高。

2.2.3 轴线上的声功率密度

声功率是指单位时间内辐射的声能量, 取单位体积的声功率记为声功率密度。不同旋涡哨轴线上的声功率密度分布如图 11所示, 声功率密度最大值见表 5。

由图 11可以看出:两种旋涡哨的声功率密度都是在腔体与出口管交界处急速增大到最大值然后又快速减小到零, 说明此处正是声波产生的地方。改进后的旋涡哨轴线上的声功率比传统旋涡哨的高出很多, 两种旋涡哨的声功率密度在腔体高度为30mm时最大, 在腔体高度为30mm，40mm，50mm时比较接近, 也就是说腔体高度对旋涡哨声功率密度的影响不大。由表 5可以看出改进后的旋涡哨轴线上的声功率最大值比现有旋涡哨增加了1.5倍到2.5倍左右, 这说明改进后的旋涡哨比传统旋涡哨发声强度和声辐射效率更好。

3 结论

综上所述:在本文条件下, 两种旋涡哨轴线上的速度、湍动能、湍流强度和声功率密度的变化趋势相同:都是先随着轴线高度的增大而增大, 到腔体与出口管交界处达到最大值, 之后又随着轴向高度的增大而减小。但声功率密度的变化梯度比其他量大得多。同时, 上述各量的最大值都出现在在腔体与出口管交界处, 说明此处正是超声波产生的地方。

在腔体半径为20mm时, 随着腔体高度的变化传统旋涡哨和改进型旋涡哨轴线上的速度、湍动能、湍流强度以及声功率密度变化不大, 这说明在其他条件选取最佳值时腔体高度对旋涡哨的发声性能影响不大。

改进型旋涡哨轴线上的速度、湍动能、湍流强度以及声功率密度的最大值都比传统旋涡哨有不同程度的提高。速度和湍动能提高了20%左右, 湍流强度提高了12%左右, 声功率密度则提高了150%以上, 这说明改进型旋涡哨的发声强度和声辐射效率较传统旋涡哨有显著提高。