自激脈沖射流裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的無(wú)量綱研究

劉新陽(yáng)，蘇泊源，高傳昌，劉彩萍

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450011)

自激脈沖射流裝置是不需任何外加裝置，利用流體自身在合適的流體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生振蕩，使流體在射流裝置體內(nèi)將射流的初始振蕩通過(guò)反饋、放大，把持續(xù)作用能量轉(zhuǎn)化為間斷作用能量的裝置.自激脈沖射流裝置憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)附加外驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、空化作用強(qiáng)、沖擊效果優(yōu)于連續(xù)射流等特點(diǎn)，在切割、清洗等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，被認(rèn)為是一種很有發(fā)展前景的射流裝置［1］.

影響自激脈沖射流裝置打擊效果的因素主要包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù).結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選擇對(duì)自激脈沖射流裝置的射流效果有顯著影響.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)自激振蕩脈沖射流裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面進(jìn)行了大量研究［1－4］，但沒(méi)有詳細(xì)研究入口條件一定時(shí)，無(wú)量綱打擊力隨各結(jié)構(gòu)參數(shù)配比的客觀變化規(guī)律.筆者運(yùn)用無(wú)量綱分析法，對(duì)一定入口條件下各結(jié)構(gòu)參數(shù)配比對(duì)無(wú)量綱打擊力的影響進(jìn)行了研究，得出了無(wú)量綱打擊力隨自激脈沖射流裝置各無(wú)量綱結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，確定了產(chǎn)生高效能脈沖射流打擊力的無(wú)量綱結(jié)構(gòu)參數(shù)的范圍，為脈沖射流裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所采用的自激脈沖射流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置和自激脈沖射流裝置分別如圖1和圖2所示.

由多級(jí)離心泵供給壓力水，通過(guò)閘閥按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求控制工作水壓力，設(shè)計(jì)工作壓力水經(jīng)脈沖射流裝置形成的脈沖射流直接噴射到裝有壓力變送器的靶盤(pán)上，壓力變送器將壓力信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行存貯分析.

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)選取的自激脈沖射流裝置運(yùn)行參數(shù)為:工作壓力P=1.6 MPa，靶距分別為50 mm和200 mm.結(jié)構(gòu)參數(shù)為:上噴嘴直徑d1為8，10，12，14 mm;下噴嘴直徑d2為 14，16，17，18，20，22，24 mm;腔長(zhǎng) Lc為30，40，45，55，60，75，90 mm;腔徑 Dc為 85，95，105，120，125 mm;碰撞壁錐度 α 為120°.對(duì)上述工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得對(duì)應(yīng)的靶盤(pán)中心打擊力.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

運(yùn)用無(wú)量綱的方法建立各參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，上下噴嘴面積比:

腔徑與上噴嘴直徑比:

腔長(zhǎng)與上噴嘴直徑比:

腔長(zhǎng)與腔徑比:

射流打擊力與工作壓力之比:

根據(jù)上述數(shù)學(xué)表達(dá)式，以Fw作為衡量自激脈沖射流裝置性能優(yōu)劣的目標(biāo)值，分別以sw，dw，Lw，Ldw為自變量，研究目標(biāo)值隨各無(wú)量綱結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，繪制出各參數(shù)函數(shù)關(guān)系曲線圖，分別如圖3—6所示.

2.1 上下噴嘴面積比sw

圖3為自激脈沖射流裝置在上噴嘴直徑分別為8，10，12 mm條件下，無(wú)量綱壓力值Fw隨sw的變化曲線.

圖3 無(wú)量綱壓力值Fw隨sw變化規(guī)律

由圖3知，入口條件一定時(shí)，隨著無(wú)量綱值sw的逐漸增大，F(xiàn)w呈現(xiàn)近似M字型的變化規(guī)律，且上噴嘴直徑越大，對(duì)應(yīng)的Fw均值越小.原因在于，下噴嘴直徑過(guò)大時(shí)，核心區(qū)的高速流體幾乎全部從下噴嘴射出，不易在碰撞區(qū)內(nèi)形成循環(huán)，腔內(nèi)壓力達(dá)不到水的汽化壓力，空化效果不好，不易形成脈沖射流［3］.研究表明，無(wú)量綱壓力值Fw的大小與對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生的自激脈沖射流效果呈映射關(guān)系，脈沖射流效果較好時(shí)，對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱壓力值Fw較大;系統(tǒng)裝置對(duì)無(wú)量綱值sw具有選擇性，產(chǎn)生較好自激脈沖效果和較大打擊力的sw范圍是3.35 ～4.25.

2.2 腔徑與上噴嘴直徑比dw

圖4是上噴嘴直徑分別為 8，10，12，14 mm，一定入口條件下，僅考慮dw單因素變化時(shí)，無(wú)量綱壓力值Fw隨dw的變化情況.

圖4 無(wú)量綱壓力值Fw隨dw變化規(guī)律

由圖4知，一定入口條件下，隨著dw的增大，無(wú)量綱壓力值Fw的變化曲線呈拋物線型，且達(dá)到某一臨界值后逐漸趨于穩(wěn)定;不同上噴嘴直徑時(shí)，拋物線形狀有所不同.分析認(rèn)為，上噴嘴條件不同時(shí)，腔徑對(duì)無(wú)量綱壓力值Fw的影響效果有一定差別，要獲得較好的打擊效果，需要將dw值控制在一定范圍之內(nèi).

2.3 腔長(zhǎng)與上噴嘴直徑比Lw

圖5是上噴嘴直徑分別為8，10，12 mm時(shí)，一定入口條件下，無(wú)量綱壓力值Fw隨Lw的變化情況.

圖5 無(wú)量綱壓力值Fw隨Lw變化規(guī)律

整體趨勢(shì)上看，無(wú)量綱壓力值Fw隨Lw增大而減小.分析認(rèn)為，隨著腔長(zhǎng)增長(zhǎng)，腔室內(nèi)反饋的能量不能有效激勵(lì)分離區(qū)新渦量的產(chǎn)生，進(jìn)而不能有效地與碰撞壁相互作用，形成向上游反射的壓力擾動(dòng)波，不利于對(duì)能量的蓄積，其自激脈沖效果和打擊效果不好，反映在圖中就是Fw逐漸減小;無(wú)量綱壓力值對(duì)Lw具有選擇性，一定入口條件下，在Lw=4.2～5.5時(shí)，射流打擊效果較好;曲線呈波動(dòng)性變化的原因是Ldw的變化對(duì)無(wú)量綱壓力值Fw也有一定影響.

2.4 腔長(zhǎng)與腔徑比Ldw

圖6是上噴嘴直徑分別為8，10，12 mm時(shí)，一定入口條件下，無(wú)量綱壓力值Fw隨Ldw的變化情況.

圖6 無(wú)量綱壓力值Fw隨Ldw變化規(guī)律

由圖6可知，在入口條件一定時(shí)，無(wú)量綱壓力值隨Ldw值變化的整體趨勢(shì)是減小的.分析認(rèn)為，要獲得較好的打擊效果，Ldw的取值范圍應(yīng)控制在0.37～0.50.超過(guò)該范圍時(shí)，腔徑的影響作用相對(duì)減小，新渦量脈動(dòng)產(chǎn)生的空間不充分，能量的反饋和放大過(guò)程不易形成;低于該范圍時(shí)，腔長(zhǎng)過(guò)短，該范圍內(nèi)擾動(dòng)不敏感且渦環(huán)流動(dòng)的空間狹小，不利于能量的疊加.

3 結(jié)語(yǔ)

1)無(wú)量綱壓力值Fw隨上下噴嘴面積比sw的增大，呈M 型變化規(guī)律，sw=3.35～4.25時(shí)，自激脈沖射流裝置能取得較好的打擊效果.

2)一定入口條件下，無(wú)量綱壓力值Fw隨dw的增大，呈拋物線型增長(zhǎng)，且在dw取得某一臨界值之后，無(wú)量綱壓力值趨于穩(wěn)定.

3)一定入口條件下，無(wú)量綱壓力值Fw隨Lw增大而減小.研究得出了Lw的優(yōu)化范圍Lw=4.2 ～5.5.

4)無(wú)量綱壓力值Fw隨Ldw增大而逐漸減小，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究確定了自激脈沖射流裝置無(wú)量綱結(jié)構(gòu)參數(shù)Ldw的優(yōu)化范圍:Ldw=0.37～0.50.綜合只考慮dw時(shí)的研究結(jié)果得出，Ldw對(duì)自激脈沖射流裝置的射流打擊效果有很大影響，且相比較而言，腔長(zhǎng)起主要影響作用.

雖然對(duì)一定入口條件下，自激脈沖射流裝置的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了無(wú)量綱分析，得出了自激脈沖射流裝置打擊效果隨各無(wú)量綱結(jié)構(gòu)參數(shù)值的變化規(guī)律，確定了各主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化配比范圍.但是各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)在脈沖射流產(chǎn)生過(guò)程中起到的主次作用不同，不同配比時(shí)產(chǎn)生的影響效果有所差異.這里就不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)自激脈沖射流裝置脈沖射流打擊效果的影響程度沒(méi)有研究，無(wú)疑是不完善的.因此，自激脈沖射流裝置各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其打擊效果影響程度的大小，需要做進(jìn)一步研究.

［1］王樂(lè)勤，王循明，徐如良，等.低壓大流量自激振蕩脈沖射流噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究［J］.流體機(jī)械，2004，32(3):7－10.

［2］裴江紅，唐川林，張鳳華，等.非淹沒(méi)射流條件下自激振蕩脈沖射流噴嘴實(shí)驗(yàn)研究［J］.礦山機(jī)械，2006，34(10):96－98.

［3］王循明.自激式脈沖射流裝置性能影響因素?cái)?shù)值分析及噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.浙江大學(xué)，2005.

［4］廖振方，唐川林，張鳳華.自激振蕩脈沖射流噴嘴的實(shí)驗(yàn)研究［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，25(2):28－32.