中心体空化喷嘴射流实验研究

廖 松 邓松圣 赵华忠 管金发 姚 粟

1. 中国人民解放军31650部队, 云南 马龙 655100; 2. 中国人民解放军陆军勤务学院油料系, 重庆 401331; 3. 中国人民解放军陆军勤务学院研究生大队, 重庆 401331

0 前言

空化水射流技术凭其安全、高效,以及破坏能力强的优点,在船舶清洗、材料处理以及石油开采等方面得到了较广泛应用[1-4]。与其他空化喷嘴相比,中心体空化喷嘴射流的相关研究较少[5],为此,本文参照相关文献资料[6-12],设计了一种新型中心体空化喷嘴,对其产生的射流进行冲蚀实验研究,并与角形喷嘴、淹没空化喷嘴的射流冲蚀性能[13-19]进行对比分析。

1 喷嘴和实验材料

冲蚀实验所采用的中心体空化喷嘴尺寸见表1。

表1 中心体空化喷嘴尺寸表

中心体空化喷嘴、角形喷嘴以及淹没空化喷嘴的剖面示意图和加工后的实物见图1,由于中心体空化喷嘴尺寸较小加之射流冲蚀作用,需有较强的硬度和良好的耐磨性,加工需要一定延展性,所以中心体空化喷嘴材质采用黄铜,外喷嘴和中心体支架采用铝合金,价格便宜且易于加工,而其他两种喷嘴材质均采用304不锈钢。

实验中所使用的实验材料是高温莫来石砖,见图2。高温莫来石砖具有一定的硬度,质地均匀,是一种优质的耐火砖,主要由莫来石烧结而成,其主要成分为68.2%的氧化铝(Al2O3)、25.3%的石英(SiO2)、6.5%的其他物质。

图2 高温莫来石砖照片Fig.2 Photo of high temperature mullite brick

2 实验系统与实验方法

2.1 实验系统

实验在高压水射流清洗切割平台上进行,中心体空化水射流冲蚀实验系统见图3。整个实验系统由变频电控箱、高压柱塞泵、电动机、储水箱、压力表、各类阀组、喷枪以及水射流喷嘴等部件集成。高压柱塞泵是水射流系统的核心部件,其工作原理为电动机驱动高压柱塞泵,依靠柱塞在缸体中的往复运动,致使工作腔容积发生周期性变化,经高压泵后,电动机的机械能转化为压力能,从而实现液体的输送。

图3 中心体空化水射流冲蚀实验系统流程图Fig.3 Flowchart of the central-body cavitationwaterjet erosion test system

实验系统的工作流程:首先,启动变频电控箱,待变频电控箱运行稳定；再启动高压柱塞泵,调节变频电控箱上频率控制按钮；控制高压柱塞泵的压力,高压水经高压管路流到喷嘴出口,形成射流,冲蚀打击在位于底座上的靶件表面。实验装置的主要参数说明见表2,高压柱塞泵见图4。

表2 实验装置参数说明表

图4 高压柱塞泵照片Fig.4 Photo of high pressure piston pump

2.2 实验方法

在现有实验室的设备条件下,依次对中心体空化喷嘴、角形喷嘴以及淹没空化喷嘴在非淹没条件下进行冲蚀打击实验,主要研究分析喷嘴冲蚀时间、入口压力和靶距对不同喷嘴冲蚀能力的影响,对射流形态和冲蚀试样效果进行对比分析,衡量三种不同喷嘴的冲蚀性能,通过对比分析,确定中心体空化喷嘴的有效靶距范围。实验步骤如下。

1)实验材料为高温莫来石砖,准备表面清洁平整的莫来石砖若干,并编好序号。

2)将加工好的三种不同喷嘴依次连接到喷枪上,然后将高温莫来石砖放置于台架底座上,调整控制喷嘴出口到砖表面的距离。

3)开启水阀,将储水箱充满水,通过节流调节阀控制水箱里水的高度,开启高压柱塞泵,调节压力变频器,控制压力,当喷嘴入口压力设定好后,开始计时,计时数十秒后,冲蚀结束,关闭高压柱塞泵。

4)对冲蚀打击后的高温莫来石砖进行测量,测量冲蚀深度和打击孔径,记录数据,每种工况测量3个数据,然后取平均值。

5)通过单一变量,改变冲蚀时间、入口压力和靶距,测试不同喷嘴的冲蚀性能。

3 实验结果与分析

图5为冲蚀前后的高温莫来石砖,高温莫来石砖表面由于射流冲蚀而形成的蚀坑。图6为淹没空化水射流和中心体空化射流自喷嘴喷出后的流动形态,射流自喷嘴喷出后都有一定的发散,淹没空化射流比中心体空化射流发散范围更大,喷出后成雾状且伴有嘶嘶的尖锐声,这是空化泡溃灭时发出的噪声,侧面证实了喷嘴可有效产生空化,为下一步研究奠定了基础。

a)冲蚀前的高温莫来石砖a)High temperature mullite brick before erosion

a)淹没空化喷嘴a)Submerged cavitation nozzle

3.1 冲蚀时间对射流冲蚀效果的影响

图7显示了冲蚀时间与喷嘴射流冲蚀深度的关系。在实验过程中控制入口压力15 MPa、靶距10 mm,改变冲蚀时间,对比冲蚀效果。从图7可以看出,随着冲蚀时间的增加,三种喷嘴射流冲蚀的深度均有增加,但增加的速度慢慢减缓,淹没空化喷嘴射流冲蚀深度增速最快,角形喷嘴射流冲蚀深度增速最慢,在10～15 s之间,中心体空化喷嘴和淹没空化喷嘴的冲蚀深度相当。这主要是因为淹没环境下,射流产生空化作用靶距更大,随着时间增加,射流冲蚀深度加深,导致靶距增加,淹没空化喷嘴射流减弱较慢,中心体空化喷嘴和角形喷嘴射流空化泡不能在作用点溃灭,冲蚀作用减弱较快;另外冲蚀在砖块表面形成了一个小深坑,坑里有积水,对射流冲蚀有削弱的作用,使得冲蚀深度增速减缓;射流初期,中心体空化喷嘴和淹没空化喷嘴产生的空化效果相当,因而冲蚀深度也相当。

图7 入口压力15 MPa、靶距10 mm时，冲蚀时间与喷嘴射流冲蚀深度的关系图Fig.7 Relationship between erosion time and nozzle jet erosiondepth when inlet pressare is 15 MPa and target distance is 10 mm

冲蚀孔径的大小主要取决于冲蚀开始时短时间内的打击位置,选择三个不同的作用点,在入口压力15 MPa、靶距10 mm时,冲蚀10 s,淹没空化喷嘴、中心体空化喷嘴和角形喷嘴的冲蚀径平均值为4.7 mm、4.1 mm和3.2 mm。

对比冲蚀孔径可知,三种喷嘴冲蚀孔径范围相差不大,但在10～15 s时间内,冲蚀深度变化不大,且都在合适的靶距范围内,中心体喷嘴冲蚀深度却相对大些,说明中心体空化喷嘴的冲蚀打击集束性比其他两种喷嘴好。

3.2 入口压力对射流冲蚀效果的影响

图8显示了入口压力与射流冲蚀深度的关系,图9显示了入口压力与射流冲蚀孔径的关系,在实验过程中控制靶距10 mm、时间10 s,改变入口压力,对比冲蚀效果。

图8 靶距10 mm、时间10 s时，入口压力与喷嘴射流冲蚀深度关系图Fig.8 Relationship between inlet pressure and jet erosion depthwhen target distance is 10 mm and time is 10 s

图9 靶距10 mm、时间10 s时，入口压力与喷嘴射流冲蚀孔径关系图Fig.9 Relationship between inlet pressure and jet erosion aperturewhen target distance is 10 mm and time is 10 s

由图8～9可看出,随着入口压力的增加,中心体空化喷嘴、淹没空化喷嘴、角形喷嘴的冲蚀深度和冲蚀孔径都在增加,中心体空化喷嘴和淹没空化喷嘴的冲蚀深度和冲蚀孔径比角形喷嘴的大,说明中心体空化喷嘴和淹没空化喷嘴产生的空化效果比角形喷嘴好,空蚀作用更强。从冲蚀深度看,中心体空化喷嘴和淹没空化喷嘴的冲蚀能力为角形喷嘴的1.5～2倍,在15～20 MPa的压力范围内,冲蚀深度增速较大,之后变化趋势变缓,在入口压力小于20 MPa时,中心体空化喷嘴的冲蚀能力比淹没空化喷嘴强,随着压力进一步增大,淹没空化喷嘴淹没射流剪切作用加强,空化作用明显增强,冲蚀能力高于中心体空化喷嘴且增加迅速,而中心体空化喷嘴冲蚀能力减弱。这主要是因为达到一定深度后,喷嘴出口端到作用点的距离增大,中心体绕流产生空化泡扩散距离有限,导致空化作用减弱,而淹没空化喷嘴在淹没条件下空泡扩散效果更好;从冲蚀孔径来看,角形喷嘴射流冲蚀孔径最小,也说明了其他两种喷嘴产生的空化作用面大,在入口压力小于18 MPa时,中心体空化喷嘴和淹没空化喷嘴的射流冲蚀面相当,随后中心体空化喷嘴射流作用面范围不及淹没空化喷嘴,随着压力增大,淹没空化喷嘴冲蚀孔径增加较快,而中心体空化喷嘴冲蚀孔径增加速度变缓,说明入口压力达到一定值后,淹没空化射流剪切作用更强,而中心体空化喷嘴射流空化效果变化趋缓。结合冲蚀深度效果,在压力较低的情况下,中心体空化喷嘴和淹没空化喷嘴的冲蚀面相当,但中心体空化喷嘴射流冲蚀深度比淹没空化喷嘴深,说明在压力较低的情况下,中心体空化喷嘴空化效果比淹没空化喷嘴、角形喷嘴具有更好的集束性。综上分析,入口压力对射流冲蚀效果影响很大。

3.3 靶距对射流冲蚀效果的影响

靶距是指喷嘴出口端到物体表面的距离。对所设计的中心体空化喷嘴进行冲蚀打击实验,确定合适的靶距范围,分别采取六种冲蚀靶距2 mm、6 mm、10 mm、14 mm、16 mm和18 mm,综合数值模拟和入口压力变化实验研究,取入口压力20 MPa进行实验,冲蚀时间10 s。非淹没射流条件下，靶距冲蚀坑深度和孔径尺寸见表3,靶距对中心体空化喷嘴冲蚀效果的影响见图10,不同靶距下的冲蚀形态见图11。

表3 非淹没射流条件下，靶距、冲蚀深度和冲蚀孔径尺寸表

图10 入口压力20 MPa、时间10 s时，靶距对中心体空化喷嘴冲蚀效果的影响图Fig.10 Effect of target distance on nozzle erosion effect of the central-body cavitation nozzle when inlet pressure is 20 MPa and time is 10 s

a)靶距2 mma)Target distance 2 mm

分析表3和图10发现:随着靶距增加,喷嘴冲蚀孔径逐渐增大,增速趋缓,冲蚀深度逐渐减小,这主要是因为靶距增加,喷嘴出口射流会慢慢扩散,对表面的集束冲击作用减弱。对比淹没空化喷嘴,冲蚀随靶距增加先增加后减小,造成变化不同的原因是在淹没条件下,随着靶距增加,空化泡生长发展后溃灭,导致空化泡体积分数先增大后减小,当达到一定靶距后,能量衰减较快,没有空化产生,只有水射流冲击作用存在；而在非淹没条件下,中心体空化喷嘴射流绕过中心体底端后,出现旋涡,并与周围空气产生剪切作用,在喷嘴出口附近出现大量空化泡,空化泡溃灭,产生的冲蚀作用最大,随着靶距增加,空化泡数量逐渐减少,冲蚀作用减弱,直至空化消失,仅有射流冲击作用。

由图11可以看到,经中心体空化喷嘴射流冲蚀后,砖块表面形成了一定大小的圆形蚀坑,当靶距在2～10 mm 时,冲蚀孔径范围较小,中心体空化喷嘴射流的集束效果好,冲蚀作用集中；当靶距达到14 mm时,射流扩散,冲蚀作用不集中,蚀坑孔径大,深度较浅。

综上分析发现，中心体空化喷嘴在非淹没情况下,随着靶距增加,冲蚀孔径逐渐增大,冲蚀深度逐渐减小;通过对比淹没空化喷嘴,中心体空化喷嘴射流集束性更好,达到一定靶距后,空化作用都减弱,实验所设计采用的中心体空化喷嘴最佳靶距范围为2～14 mm。

4 结论

1)在相同泵压条件下,中心体空化喷嘴和淹没空化喷嘴的冲蚀能力为角形喷嘴的1.5～2倍,在入口压力小于20 MPa时,中心体空化喷嘴的冲蚀能力比淹没空化喷嘴强,随着压力进一步增大,淹没空化喷嘴淹没射流剪切作用加强,空化作用明显增强,冲蚀能力高于中心体空化喷嘴且增加迅速,而中心体空化喷嘴冲蚀能力减弱。

2)在压力较低的情况下,中心体空化喷嘴和淹没空化喷嘴的冲蚀面相当,但中心体空化喷嘴射流冲蚀深度比淹没空化喷嘴大,说明在压力较低的情况下,中心体空化喷嘴空化效果比淹没空化喷嘴、中心体空化喷嘴具有更好的集束性。

3)中心体空化喷嘴在非淹没情况下,随着靶距增加,冲蚀孔径逐渐增大,冲蚀深度逐渐减小;通过对比淹没空化喷嘴,中心体空化喷嘴射流集束性更好,达到一定靶距后,空化作用都减弱,实验所设计采用的中心体空化喷嘴最佳靶距范围为2～14 mm。