1.2.3 脉冲射流泵研究进展
脉冲射流是非定常射流现象之一。所谓脉冲射流是在每个固定周期(称为脉冲周期)中，射流流场中任意一点的工作参数(如压力、流量、流速等)随时间发生周期性的变化［127］。目前国内外采用的脉冲射流泵分为两类:一种以气体作为工作流体，称为气体脉冲喷射器;另一种以液体作为工作流体，称为脉冲射流泵。到目前为止，虽然恒定射流泵与喷射器的发展已有100多年的历史，但对不稳定射流(包括脉冲射流)的研究，因内部流动机理复杂，起步较晚。
脉冲射流现象最早发现于19世纪中期。1858年Leconte发现气灯火苗随着大提琴的音调变化而不断地作有节奏的跳动。对此现象，1867年Tyndall指出火苗的跳动是由于通过气灯喷嘴孔将要变成紊动的燃气射流对各种乐调敏感引起的。1896年Rayleigh指出脉冲射流柱面上的涡街不稳定，因此当声波通过射流出口就会在射流柱面上不断产生表面波，而这些表面波加速射流成为脉冲射流，并增加射流的混合率，Rayleigh当时没有给出这些波的准确表达式。直到1962年，雷诺(Reynolds)在轴对称射流试验研究中才解决了该问题。20世纪70年代初，人们对研究脉冲射流产生了浓厚的兴趣。1970年Telford认为混合和卷吸是紊动强度或雷诺应力的函数，紊动强度或雷诺应力越大，则混合和卷吸能力越强。1971年法国学者S.C.Crow和F.H.Champagne揭开了对脉冲射流泵研究的序幕，他们在试验中观察到，在自由射流中加入很少的周期性扰动(20%)，就会引起射流卷吸能力的提高(多达25%)。1972～1975年间，G.Binder和M.Favre－Marinet［25，128，129］在气体工作管路上安装了一个旋转蝴蝶阀来产生脉冲气体，然后对脉冲气体射流及其在航空助推器中的应用进行了试验研究。研究结果表明，脉冲气体射流喷射器的推动力是恒定射流喷射器的1.4倍，并指出这是由于脉冲射流轴线上的紊动强度比恒定射流大，因此具有较高的扩散率和吸卷率，并已研制出推力比普通喷射器增加25%的脉冲喷射器。1972～1973年，B.Quinn［12，16，24］对脉冲气体射流助推气体喷射器的应用进行了试验研究，结果表明，助推气体喷射器的推力直接与射流出口卷吸率和混合率成正比，他指出射流混合率的增加有助于减小航空助推喷射装置的尺寸和重量。1974～1975年，H.Viets［15，22］在飞机助推动力装置的反馈射流回路上安装了一个脉冲射流喷射器，脉冲频率由反馈回路的长度来确定，结果增加了射流的混合率和扩散能力，对飞机的垂直和短距起飞产生了显著的影响。
20世纪70年代初期，R.M.Curter和J.P.Girard、L.J.S.Bradburg和A.H.Khaden、G.E.Mattingly和C.C.Chang等学者［130－132］对脉冲气体射流进行了试验研究，得出了与上述相同的结论，G.E.Mattingly结合试验，经理论分析给出了脉冲射流平均流速分布表达式。1977年，W.G.Hill和P.R.Greene［133］研制了一种利用喷嘴合理的几何结构自激产生脉冲气流的装置，指出当汽笛喷嘴发出清脆悦耳的声音时，脉冲射流的混合率就迅速增加，而脉冲射流中心线上的流速衰减较快，并就喷嘴的几何尺寸对脉冲频率的影响进行了简单的分析。文献［6，133］研究表明脉冲射流泵内的流动结构不同于恒定射流泵内的流动结构，指出泵的性能与泵的主要几何尺寸和脉冲频率有关，但没有进行理论分析。1979～1981年，K.Bremhorst等［134，135］分别对全脉冲射流(full pulsed)和脉冲中心射流(pulsed core)进行试验研究，在亚音速气体脉冲射流流场的试验中发现，在脉动频率为10Hz及25Hz时，不稳定射流的掺入率分别为1.05及1.3，它们比稳定射流的掺入率大1.29倍，提出了脉冲射流的时均速度、射流扩展率和平均雷诺应力分布的表达式，指出全脉冲射流的卷吸率和混合率大于脉冲中心射流的卷吸率和混合率，但没有进行脉冲频率和泵的主要几何尺寸对脉冲射流基本性能影响的研究。1981年，M.Favre－Marinet和G.Binder［136］也研制了一种利用喷嘴的不同几何结构产生脉冲气流的装置，用不同的几何参数和气体动力参数对喷嘴出口处的脉冲气流特性的影响进行试验，结果表明，喷嘴出口的气流摆角对脉冲气流的紊动速度影响较大，其紊动速度基本上按正弦规律变化。1982年，P.G.Parikh等人［17，137］对脉冲射流和恒定射流进行了试验研究，当脉冲频率等于有限空间试管(confinement tube)的自然频率(或称风琴管频率)时，射流的卷吸率和混合率比恒定射流提高了20%～37.5%，但没有对脉冲射流的传能及传质的机理进行研究。1990年K.Bremhorst和G.Hollis［138］指出正是由于脉冲射流流场分布不同于恒定射流，才导致射流的卷吸率和混合率有较大的提高。20世纪80年代初，由AGA和LENNOX公司共同研究开发的LENNOX民用脉冲燃烧暖风机在商业上大获成功。1995年，国内学者秦朝葵、张同等［139－141］对脉冲燃烧运用于暖风机、热水器、人工煤气燃烧器上进行了试验研究。
国内外学者在大量的脉冲射流试验的基础上，指出脉冲射流结构不同于稳定射流，提出了各种脉冲射流流速表达式，如:
(1)1971年S.S.Crow和F.H.Champagne［6］用下式来描述射流中心线上的流速:
(2)在脉冲射流流场分布的研究方面，1974年，G.E.Mattingly和C.C.Chang［132］提出初始段流场分布:
(3)1981年，K.Bremhorst和R.D.Waston［134］在对轴对称有限脉冲伴随射流进行试验时，提出用下式描述非定常自由射流主体段内的时均速度分布:
(4)1987年，S.M.Kato［142］提出用下式描述脉冲射流的卷吸速度:
而恒定射流的卷吸速度为:
最早将脉冲射流带入实用阶段的是1967～1972年英国通用电力公司中心实验室的A.J.Walkden等人［19］。为了提高磁流发电机的效率，研制了用于输送华氏1500°K高温熔化钾盐的脉冲式双级射流泵。该装置由脉冲发生器和双级射流泵组成。射流泵面积比m=2，冷态试验时，工作压力为0.133MPa，出口压力为0.0068MPa(一级)、0.03MPa(二级)，最大吸入量为0.35L/s。该装置成功地抽送了华氏1500°K的高温硫酸钾溶液(密度1.8g/cm3)，排出流量0.175L/s，出口压力0.0092MPa。根据试验结果，提出了反映脉冲液体射流泵基本性能的简化经验方程。
(1)单级脉冲射流泵排出压头:
(2)双级脉冲液体射流泵排出压头:
1974年K.Moodie［143］等人研制了两级气动挤压式脉冲射流发生装置。它以压缩空气作为动力，驱动固体活塞对液体挤压，利用Pascal原理，产生很高的脉冲压力。当供气压力为3.5MPa时，装置的最大输出压力为1400MPa。
气液活塞式脉冲液体射流泵是在Walkden等人研究的基础上发展起来的。20世纪80年代初，在英国核燃料公司(BNFL)的支持下Grant等人与Sheffield和Cardiff大学合作，利用脉冲射流理论研制出一种无运动部件的可输送放射性液体的装置(RFD)(即气液活塞式脉冲液体射流泵装置)，并成功地在Dowreag快堆后处理厂和Sellefierd的高放废料大罐进行了试验。在此基础上BNFL及英国原子能委员会(UKAEA)进行了工业规模装置试验，研制了以射流泵为主体的可逆流体换向装置(RFD)，其最大扬程为30m，流量为20m3/h，成功地应用于英国THORPT热铀处理厂。RFD现已普遍应用于英国热铀后处理厂，取得了巨大的经济效益［14，20，144］。
1981年，J.R.Trippetts等人对RFD流体提升装置的效率及稳定性进行了较为系统的理论研究［21］。他采用脉冲过程压力不变的假定，导出了脉冲压力发生器及RFD流体提升装置总效率公式
(1)脉冲压力发生器的效率M公式:
(2)脉冲液体射流泵效率公式:
(3)脉冲液体射流泵装置效率公式:
上述公式中:
其中pd、pr、ps、pa分别为压缩空气压力、活塞筒内液体压力、抽真空压力及大气压力，QJR、QJD分别为真空喷射器及压缩喷射器的流量比; qa、qb、qar、qbr分别为脉冲液体射流泵工作及出口流量，返吸时倒流的工作及出口流量，eh、ea、ear分别为脉冲液体射流泵工作、出口扬程及活塞筒真空度。
上式中，脉冲压力发生器的效率与工作气体(压缩空气)压力、提升压力、吸入压力有关。根据J.R.Trippetts的理论分析，直接方式脉冲压力发生器提升压力及效率较高，但受安装条件限制;单喷射器方式脉冲压力发生器在提升压力(提升扬程)较高时，其效率比双喷射器方式脉冲压力发生器高; RFD流体提升装置在提升压力(提升扬程)较低时其效率较高。如单作用RFD流体提升装置在提升压力为3m时，采用直接方式脉冲压力发生器，其装置总效率可达50%;当提升压力为15m时，采用双喷射器方式脉冲压力发生器，其装置总效率仅为5%。
2000年，美国的Mark D.Morgan［145］利用气液活塞式脉冲液体射流泵装置将液体与泥浆进行混合射流，并成功地应用于工程中。
在国内，陆宏圻教授从20世纪80年代中期开始对脉冲射流泵进行研究。1986年，他与北京重型机械厂合作，进行了脉冲离心射流真空泵的研制工作，并对其运行机理进行了研究，运用准二维理论提出了脉冲液气射流泵基本性能方程。1987～1988年他在美国明尼苏达大学，运用弱可压缩流体理论及大涡模拟的紊流模型，用大型超级电子计算机，进行了稳定及不稳定有限空间射流流场的数值模拟研究。在陆宏圻导师指导下，龙新平(1994)对脉冲射流泵进行了初步试验研究［63］，采用的是锥形喷嘴，导出了非定常情况下的射流泵性能方程，并在形式上与定常状态的射流泵性能方程有统一的形式。但方程中的惯性水头项、非定常情况下的动量修正系数、流速系数与定常情况下的不同，由于目前关于非定常自由射流及有限空间射流流场的分布规律尚不完全清楚，因此有关非定常项及非定常系数难以普遍确定，故原方程不能直接使用。鉴于我国核电站乏燃料后处理的需要，于1995年在陆宏圻的指导下，高传昌开始从事气液活塞式脉冲液体射流泵的理论与试验研究工作［18，146－152］，以气液活塞装置为脉冲发生装置，采用缩放形喷嘴，提出了气液活塞式脉冲液体射流泵装置的设计理论，对脉冲流体的运动特性进行了理论推导和试验研究，采用不同几何参数和工作参数(如不同口径的喷嘴、面积比、喉嘴距、脉冲频率等)进行了探索性试验，对脉冲液体射流泵装置运行的稳定性进行了理论与试验研究。2000年以来导出了气液活塞式脉冲液体射流泵装置性能方程，对脉冲液体射流泵装置效率进行了理论研究，但由于方程求解时做了一些简化，使得计算方法失去了普遍意义，其设计理论尚不完善。此外，运用非恒定流体动力学理论和时均值理论，还对特定的脉冲液体射流泵的基本性能及其时均基本性能进行了理论研究，研究结果表明脉冲液体射流泵时均值基本性能高于恒定流液体射流泵，基本上是恒定液体射流泵的基本性能与由脉冲频率和无因次惯性项引起提高的射流泵性能的叠加，但脉冲频率对性能影响的规律尚未完全掌握，没有对无因次惯性项对性能影响的大小进行定量的计算与深入的理论分析，没有对两股不同压力的脉冲液体在射流泵内的能量及质量传递的机理进行研究。另外，因受试验条件所限，一些理论研究结果尚无法通过实践来验证。因此，在理论与试验方面还待深入。此外，文献［153］以往复泵作为脉冲发生装置，推导出了相应地便于计算的脉冲液体射流泵性能方程表达式，并进行了时均性能数值模拟研究，研究结果表明，在一定范围内频率越高，效率提高就越明显，但频率太高则会引起管道系统的共振，何为最优频率还有待研究。由于脉冲射流的流速分布尚不清楚，流速系数、射流厚度比等函数还是使用恒定流的公式，该数值计算中脉冲频率对时均性能的影响并不十分显著，无因次惯性项的影响也未分析。文献［154］对气动式脉冲液体射流泵进行了性能试验研究。
国内外试验均表明，脉冲射流泵内部流动是有限空间的不稳定脉冲射流，兼有射流紊动扩散和活塞泵的作用，有限空间脉冲射流与射流泵的几何尺寸及脉冲频率有关，射流结构和流体运动特性是影响射流泵性能的主要因素。学者们通过试验现象和结果，定性地讨论了脉冲频率和几何尺寸对有限脉冲空间射流特性的影响，并与有限稳定射流特性进行了比较，结果表明脉冲射流的卷吸率和混合率均大于稳定射流。
由于脉冲射流的内部流场的复杂性，能够查到的关于脉冲射流泵数值模拟计算成果的文献并不多，尤其是用流动可视化技术对全流场进行测试的报道尚未见到。2004年武汉大学何培杰等人采用PIV流场测试技术，对液体射流泵的流场进行了试验研究，测得了不同流量比下工作流体和被吸流体的流速分布，分析了射流泵内部流动的沿程发展情况以及射流泵内有限空间流动与无限空间的伴随射流的异同，通过对比不同流量比下的流场结构，发现在射流泵结构一定的情况下，流动的结构只与流量比有关。何培杰等人也只是对恒定射流的液体射流泵的内部流场进行了初步的测试研究，但是对脉冲液体射流泵的内部流场的PIV研究，尤其对当脉冲频率变化时流场结构如何变化的研究，国内外尚未见报道，这方面的研究有待深入。