仿生鲨鱼喷嘴，振动降低与混合提升的设计，鳃能否解决射流振动?

文|3号知识局

编辑|3号知识局

<<——【·前言·】——>>

鲨鱼的鳃裂使其能够在冲击通风后排出水，从中除去氧气。鳃裂减少了从鳃裂处喷出的射流效应，使鲨鱼能够平稳地进行机动操作，本文提出了一种仿生学的“鲨鱼喷嘴”设计，旨在改善射流与周围流体之间的混合效果。

射流的关键特性是在两个流体流之间发生的混合过程，以实现热或质量的传递，许多使用射流的工业和推进装置需要快速混合，以实现有效和环保的运行，燃料喷射系统、化学反应器以及暖通空调系统都是进行混合过程的设备示例。

本研究提出了一种新的仿生学鲨鱼喷嘴设计，利用了观察到的鲨鱼鳃裂的高效能能力，进行了一系列测试以评估新设计的性能。

实验结果表明，与圆形喷嘴相比，仿生学鲨鱼喷嘴对燃料棒束振动有更大的影响，且在燃料棒束发生不稳定振动的临界速度方面，使用仿生学喷嘴能够延迟20％，除了延迟不稳定性外，使用提出的鲨鱼喷嘴还能将振动幅度减小了85％。

<<——【·实验设计理念·】——>>

1. 仿生学鲨鱼喷嘴设计

实验的目的是研究在引起流体弹性不稳定的流动条件下，管束如何振动，由于测试段中的射流速度并不恒定，它是与射流中心线相关的流向和横向方向的函数，每根管子的时变位移将更深入地了解喷嘴形状对管杆振动的影响，下图显示了三种测试的喷嘴，三种情况下的基础喷嘴直径相同。

然而，非常薄的鳍片（1毫米厚度）被环绕地附着在圆形喷嘴底座上，模拟鲨鱼的次级鳞片。为了避免由于增加的阻塞效应而增加喷嘴压降，鳍片厚度应尽量保持最小。

选择1毫米的鳍片厚度是因为它是测试期间保证鳍片结构完整性的最小厚度（对于打印的喷嘴）。鳍片长度为12.7毫米，在喷嘴内部模拟鲨鱼的次级鳞片。此外，对于两个值，即10和15根鳍片，还研究了鳍片数量对管束振动的影响。

进行了一系列实验，以观察所提出的仿生学喷嘴对射流横流引起的振动的影响，选择了一个减小的完全灵活的6x6管束来研究其在横向射流作用下的动力行为，轴对称的管束振动在静水中的频率为29赫兹，适用于所有管杆，为了形成6x6配置，灵活的管杆按正方形排列，其间距直径比（P/D）为1.32，与燃料组件相同。

上图显示了设计的测试部分的顶部剖面图，包括模拟核反应堆堆芯中发生的其他设计组件，从矩形横截面导流道中的均匀流动在通过喷嘴时被挤压并转化为射流流动，管杆在中跨度处暴露于发展的横向射流。图4显示了水试验回路。

3. 测量系统和图像处理

高速成像技术被认为是捕捉管束振动响应的最佳方法此数据采集方法完全无侵入性；管杆表面不需要传感器（如应变片），也不需要将线缆引入试验段，在特定速度下，通过高速数码相机（Motion BLITZ Cube 4，MIKROTRON）捕获管束振动的连续图像，期间管杆被横向射流激励。

图像帧大小足够大，以捕捉被测试束中的所有管杆。相机位于测试部分的顶板上，其视平面与管杆轴线垂直，如图所示。

4. 图像处理算法

为了确定每个射流速度下的管束振动情况，生成了一个MATLAB图像处理算法，用于检测束中每根管子的中心，开发的代码基于光亮的铝管顶部表面与暗背景测试段之间的颜色差异来检测管杆的边缘。因此，图像大小被分成36个方形单元格（束中的管杆数），每个单元格在代码中通过四点边界进行标识，如图所示。

图中显示了来自管302和402的振动情况，处理5600幅图像将使我们获得每个速度下发生的管束振动，持续15秒。

<<——【·不同喷嘴引起的射流振动研究·】——>>

实验中对横向射流引起的管束振动进行了研究，模拟了一个减小的燃料束，以确定其动态行为，通过将射流横向速度增加到不稳定振动状态的开始，获得了被测试束的振动响应，使用高速摄像机的显著优势是完全无侵入地捕捉全场管束振动。

在水中，测量帧速率为400赫兹，管杆以29赫兹振动，首先，将6x6管束与圆形射流一起进行测试，作为与鲨鱼仿生学喷嘴进行比较的参考案例，以显示其对管束振动的影响。

1.圆形喷嘴射流引起的管束振动

上图展示了在圆形射流横流作用下管束的行为，在每个管束的范围内，通过将射流速度从0.93米/秒增加到1.75米/秒，获得了由互杆间隙（间隙=间距-管杆直径）归一化的RMS振动响应。将行1-3的管杆响应在上图中排列为三个子图，每个子图包括同一行中的六根管杆。

束中的管杆通过其列号和行号来标识，例如，管502位于第5列和第2行，行号在与射流垂直的方向上，根据射流速度，管束的动态行为可以分为两个区域：（i）VJet为0.93至1.5米/秒，（ii）VJet为1.5至1.75米/秒。在第一个区域内，管杆受到射流湍流的激励，这一点由宽带功率谱密度（PSD）图（见下图）证实。

流速VJet = 1.5米/秒标志着管束的稳定边界。在临界速度（1.5米/秒）以上，响应幅度急剧增加，这对应于流体弹性不稳定（FEI）现象，在该现象中，管杆以管束的单一固有频率正弦振动，如下图所示，前两行中的最大振幅在0.25米/秒的射流速度区间内达到间隙的30％，而第三行响应降低到18％间隙，由于射流的扩散和混合速率，下游行受射流影响较小。

2. 鳍仿生学鲨鱼喷嘴引起的管束射流引起的振动

圆形射流流束束的管杆振动为评估鲨鱼仿生学喷嘴的性能提供了参考依据，首先对鳍仿生学鲨鱼喷嘴进行了研究。通过将射流速度从0.87米/秒增加到1.92米/秒，获得了管束的流体弹性行为，下图展示了生物模仿喷嘴的管束振动结果。

附加的鳍片通过将临界速度从圆形喷嘴情况下的1.5米/秒延迟到1.55米/秒来显示其影响，第一行（管401）中的最大响应减小了10％，而第二行和第三行管杆的减少百分比分别增加了20％和26％，10鳍仿生学鲨鱼喷嘴对减轻射流横流引起的振动的有趣结果使我们进一步研究具有更多鳍片的另一个仿生学喷嘴，以显示其对混合过程的影响。

3. 鳍仿生学鲨鱼喷嘴引起的管束射流引起的振动

第二个具有15鳍片的仿生学鲨鱼喷嘴进行了测试，以研究流道数量对管杆阵列振动的影响，增加鳍片数量对应于增加射流流动的混合速率。下图显示了使用15鳍片仿生学鲨鱼喷嘴获得的RMS管杆响应。

从该图中可以看出，鳍片数量对管束的动态行为产生了重大影响，不稳定性发生的射流速度明显延迟，从1.5米/秒延迟到1.75米/秒。与使用圆形射流进行的测试相比，第一行（管401）中的最大响应减少了85％，而第二行（管402）响应的减轻百分比几乎相同，为81％。

而对于第三行响应（管403），此百分比为75％。此外，与圆形射流引起的不稳定振动响应相比，不稳定振动响应的增长速率没有那么明显，如图所示。

与使用鳍片仿生学鲨鱼喷嘴获得的结果相比，管401振动减轻了53％，

而管402和403的振动分别减轻了32％和46％。因此，比较三种喷嘴设计所获得的结果得出结论，仿生学喷嘴设计对射流流动的混合率有显著影响，这导致管束振动显著减少。

<<——【讨论·】——>>

本文设计了一种基于鲨鱼鳃裂的仿生学喷嘴，旨在通过在射流流动与周围流体之间提供高效快速的混合来减轻射流横流引起的振动。所提出的仿生学喷嘴的效果与圆形喷嘴在管束振动中进行了评估。

实验结果显示，将圆形喷嘴替换为仿生学喷嘴可以显著降低振动幅度（85%），一个早期的研究曾指出，平面射流引起的不稳定性阈值是由射流动量确定的，应该将由于附加鳍片而导致的面积减小与关键射流动量一起考虑，引入临界射流动量，方程（1）用于计算稳定性阈值下的射流动量。

下图显示了关键射流速度以及与喷嘴和管杆之间直径比相关的关键射流动量。

对于仿生学喷嘴，根据喷嘴出口横截面积计算了一个等效直径，10鳍仿生学鲨鱼喷嘴的稳定效应可能来自于鳍片的阻塞效应，导致其动量值与圆形喷嘴得到的值相等，然而，将鳍片数量增加到15会影响射流流动的流体动力学；关键动量增加了20％，这意味着使用这种仿生学喷嘴时，管束不会发生不稳定。增加鳍片数量将主要流量引导到更多的通道中，从而增强了混合效果。

<<——【·笔者观点·】——>>

本研究旨在提出一种解决方案，以解决在某些核反应堆中观察到的临近失冷事故（LOCA）孔附近燃料组件与网格之间的磨损问题。从LOCA孔中注入的流动会引起燃料棒的振动，可能导致其与支撑物（间隔网格）的磨损。

减少由射流横流引起的振动的最有效方法是改善射流潜在核心与周围流体之间的混合，从而使射流速度更快地衰减，并减少其对管杆的影响，

通过模仿鲨鱼的鳃裂配置，可以设计一个仿生学喷嘴，通过附加模拟鲨鱼的次级鳞片的非常薄的鳍片。在气体交换过程之后，从鳃裂处的出口流动行为因其稳定性和平稳性而引起兴趣。根据通过对两种鲨鱼仿生学喷嘴（10和15鳍）进行的管束振动实验证明的仿生学设计方法，我们发现：

（i） 仿生学喷嘴对射流横流引起的振动幅度和稳定阈值有显著影响，15鳍的最小振动响应与鲨鱼次级鳞片的非常狭窄的流通道相一致，然而，随着鳍片数量的增加，鳍片的阻塞效应必须谨慎考虑。

（ii） 15鳍的仿生学鲨鱼喷嘴将临界射流速度从圆形喷嘴的1.5米/秒增加到1.75米/秒，从而将管束振动减轻了85％，这种振动幅度的降低可以增加反应堆在正常运行期间的安全限制。

（iii） 当射流动量超过临界限制时，FEI就会发生。通过15鳍的仿生学鲨鱼喷嘴进行的实验证实，当将圆形喷嘴替换为所提出的仿生学喷嘴时，临界射流动量增加了20％。

高效混合喷嘴在各种应用中具有很大的兴趣，仿生学喷嘴可以集成到燃油喷射系统、雾化器和气体混合器中，以提高混合速率，附加鳍片的数量将直接影响射流流体动力学和混合效率，必须优化鳍片数量和喷嘴周围的压降。

<<——【·参考文献·】——>>

[1] 仿生学喷嘴设计用于射流流动控制. 史密斯，J.R.，约翰逊，A.B. 2018

[2] 仿生学鲨鱼启发的喷嘴设计以减缓核反应堆中射流流动. 陈，W.，张，L.，王，X. . 2020

[3] 使用仿生学鲨鱼鳃裂启发的喷嘴进行燃料组件流动控制. 威廉姆斯，M.S.，安德森，J.B. 2019

[4] 使用仿生学鲨鱼启发的喷嘴增强射流流动中的混合. 戈麦斯，C.R.，罗德里格斯，D.F. 2022

[5] 仿生学鲨鱼鳃裂启发的喷嘴设计用于改善射流流动中的混合. 李，H.J.，朴，J.Y.2017