中心體空化噴嘴射流實驗研究

廖 松 鄧松圣 趙華忠 管金發(fā) 姚 粟

1. 中國人民解放軍31650部隊, 云南 馬龍 655100; 2. 中國人民解放軍陸軍勤務學院油料系, 重慶 401331; 3. 中國人民解放軍陸軍勤務學院研究生大隊, 重慶 401331

0 前言

空化水射流技術憑其安全、高效,以及破壞能力強的優(yōu)點,在船舶清洗、材料處理以及石油開采等方面得到了較廣泛應用[1-4]。與其他空化噴嘴相比,中心體空化噴嘴射流的相關研究較少[5],為此,本文參照相關文獻資料[6-12],設計了一種新型中心體空化噴嘴,對其產(chǎn)生的射流進行沖蝕實驗研究,并與角形噴嘴、淹沒空化噴嘴的射流沖蝕性能[13-19]進行對比分析。

1 噴嘴和實驗材料

沖蝕實驗所采用的中心體空化噴嘴尺寸見表1。

表1 中心體空化噴嘴尺寸表

中心體空化噴嘴、角形噴嘴以及淹沒空化噴嘴的剖面示意圖和加工后的實物見圖1,由于中心體空化噴嘴尺寸較小加之射流沖蝕作用,需有較強的硬度和良好的耐磨性,加工需要一定延展性,所以中心體空化噴嘴材質采用黃銅,外噴嘴和中心體支架采用鋁合金,價格便宜且易于加工,而其他兩種噴嘴材質均采用304不銹鋼。

實驗中所使用的實驗材料是高溫莫來石磚,見圖2。高溫莫來石磚具有一定的硬度,質地均勻,是一種優(yōu)質的耐火磚,主要由莫來石燒結而成,其主要成分為68.2%的氧化鋁(Al2O3)、25.3%的石英(SiO2)、6.5%的其他物質。

圖2 高溫莫來石磚照片F(xiàn)ig.2 Photo of high temperature mullite brick

2 實驗系統(tǒng)與實驗方法

2.1 實驗系統(tǒng)

實驗在高壓水射流清洗切割平臺上進行,中心體空化水射流沖蝕實驗系統(tǒng)見圖3。整個實驗系統(tǒng)由變頻電控箱、高壓柱塞泵、電動機、儲水箱、壓力表、各類閥組、噴槍以及水射流噴嘴等部件集成。高壓柱塞泵是水射流系統(tǒng)的核心部件,其工作原理為電動機驅動高壓柱塞泵,依靠柱塞在缸體中的往復運動,致使工作腔容積發(fā)生周期性變化,經(jīng)高壓泵后,電動機的機械能轉化為壓力能,從而實現(xiàn)液體的輸送。

圖3 中心體空化水射流沖蝕實驗系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flowchart of the central-body cavitationwaterjet erosion test system

實驗系統(tǒng)的工作流程:首先,啟動變頻電控箱,待變頻電控箱運行穩(wěn)定；再啟動高壓柱塞泵,調節(jié)變頻電控箱上頻率控制按鈕；控制高壓柱塞泵的壓力,高壓水經(jīng)高壓管路流到噴嘴出口,形成射流,沖蝕打擊在位于底座上的靶件表面。實驗裝置的主要參數(shù)說明見表2,高壓柱塞泵見圖4。

表2 實驗裝置參數(shù)說明表

圖4 高壓柱塞泵照片F(xiàn)ig.4 Photo of high pressure piston pump

2.2 實驗方法

在現(xiàn)有實驗室的設備條件下,依次對中心體空化噴嘴、角形噴嘴以及淹沒空化噴嘴在非淹沒條件下進行沖蝕打擊實驗,主要研究分析噴嘴沖蝕時間、入口壓力和靶距對不同噴嘴沖蝕能力的影響,對射流形態(tài)和沖蝕試樣效果進行對比分析,衡量三種不同噴嘴的沖蝕性能,通過對比分析,確定中心體空化噴嘴的有效靶距范圍。實驗步驟如下。

1)實驗材料為高溫莫來石磚,準備表面清潔平整的莫來石磚若干,并編好序號。

2)將加工好的三種不同噴嘴依次連接到噴槍上,然后將高溫莫來石磚放置于臺架底座上,調整控制噴嘴出口到磚表面的距離。

3)開啟水閥,將儲水箱充滿水,通過節(jié)流調節(jié)閥控制水箱里水的高度,開啟高壓柱塞泵,調節(jié)壓力變頻器,控制壓力,當噴嘴入口壓力設定好后,開始計時,計時數(shù)十秒后,沖蝕結束,關閉高壓柱塞泵。

4)對沖蝕打擊后的高溫莫來石磚進行測量,測量沖蝕深度和打擊孔徑,記錄數(shù)據(jù),每種工況測量3個數(shù)據(jù),然后取平均值。

5)通過單一變量,改變沖蝕時間、入口壓力和靶距,測試不同噴嘴的沖蝕性能。

3 實驗結果與分析

圖5為沖蝕前后的高溫莫來石磚,高溫莫來石磚表面由于射流沖蝕而形成的蝕坑。圖6為淹沒空化水射流和中心體空化射流自噴嘴噴出后的流動形態(tài),射流自噴嘴噴出后都有一定的發(fā)散,淹沒空化射流比中心體空化射流發(fā)散范圍更大,噴出后成霧狀且伴有嘶嘶的尖銳聲,這是空化泡潰滅時發(fā)出的噪聲,側面證實了噴嘴可有效產(chǎn)生空化,為下一步研究奠定了基礎。

a)沖蝕前的高溫莫來石磚a)High temperature mullite brick before erosion

a)淹沒空化噴嘴a)Submerged cavitation nozzle

3.1 沖蝕時間對射流沖蝕效果的影響

圖7顯示了沖蝕時間與噴嘴射流沖蝕深度的關系。在實驗過程中控制入口壓力15 MPa、靶距10 mm,改變沖蝕時間,對比沖蝕效果。從圖7可以看出,隨著沖蝕時間的增加,三種噴嘴射流沖蝕的深度均有增加,但增加的速度慢慢減緩,淹沒空化噴嘴射流沖蝕深度增速最快,角形噴嘴射流沖蝕深度增速最慢,在10～15 s之間,中心體空化噴嘴和淹沒空化噴嘴的沖蝕深度相當。這主要是因為淹沒環(huán)境下,射流產(chǎn)生空化作用靶距更大,隨著時間增加,射流沖蝕深度加深,導致靶距增加,淹沒空化噴嘴射流減弱較慢,中心體空化噴嘴和角形噴嘴射流空化泡不能在作用點潰滅,沖蝕作用減弱較快;另外沖蝕在磚塊表面形成了一個小深坑,坑里有積水,對射流沖蝕有削弱的作用,使得沖蝕深度增速減緩;射流初期,中心體空化噴嘴和淹沒空化噴嘴產(chǎn)生的空化效果相當,因而沖蝕深度也相當。

圖7 入口壓力15 MPa、靶距10 mm時，沖蝕時間與噴嘴射流沖蝕深度的關系圖Fig.7 Relationship between erosion time and nozzle jet erosiondepth when inlet pressare is 15 MPa and target distance is 10 mm

沖蝕孔徑的大小主要取決于沖蝕開始時短時間內的打擊位置,選擇三個不同的作用點,在入口壓力15 MPa、靶距10 mm時,沖蝕10 s,淹沒空化噴嘴、中心體空化噴嘴和角形噴嘴的沖蝕徑平均值為4.7 mm、4.1 mm和3.2 mm。

對比沖蝕孔徑可知,三種噴嘴沖蝕孔徑范圍相差不大,但在10～15 s時間內,沖蝕深度變化不大,且都在合適的靶距范圍內,中心體噴嘴沖蝕深度卻相對大些,說明中心體空化噴嘴的沖蝕打擊集束性比其他兩種噴嘴好。

3.2 入口壓力對射流沖蝕效果的影響

圖8顯示了入口壓力與射流沖蝕深度的關系,圖9顯示了入口壓力與射流沖蝕孔徑的關系,在實驗過程中控制靶距10 mm、時間10 s,改變入口壓力,對比沖蝕效果。

圖8 靶距10 mm、時間10 s時，入口壓力與噴嘴射流沖蝕深度關系圖Fig.8 Relationship between inlet pressure and jet erosion depthwhen target distance is 10 mm and time is 10 s

圖9 靶距10 mm、時間10 s時，入口壓力與噴嘴射流沖蝕孔徑關系圖Fig.9 Relationship between inlet pressure and jet erosion aperturewhen target distance is 10 mm and time is 10 s

由圖8～9可看出,隨著入口壓力的增加,中心體空化噴嘴、淹沒空化噴嘴、角形噴嘴的沖蝕深度和沖蝕孔徑都在增加,中心體空化噴嘴和淹沒空化噴嘴的沖蝕深度和沖蝕孔徑比角形噴嘴的大,說明中心體空化噴嘴和淹沒空化噴嘴產(chǎn)生的空化效果比角形噴嘴好,空蝕作用更強。從沖蝕深度看,中心體空化噴嘴和淹沒空化噴嘴的沖蝕能力為角形噴嘴的1.5～2倍,在15～20 MPa的壓力范圍內,沖蝕深度增速較大,之后變化趨勢變緩,在入口壓力小于20 MPa時,中心體空化噴嘴的沖蝕能力比淹沒空化噴嘴強,隨著壓力進一步增大,淹沒空化噴嘴淹沒射流剪切作用加強,空化作用明顯增強,沖蝕能力高于中心體空化噴嘴且增加迅速,而中心體空化噴嘴沖蝕能力減弱。這主要是因為達到一定深度后,噴嘴出口端到作用點的距離增大,中心體繞流產(chǎn)生空化泡擴散距離有限,導致空化作用減弱,而淹沒空化噴嘴在淹沒條件下空泡擴散效果更好;從沖蝕孔徑來看,角形噴嘴射流沖蝕孔徑最小,也說明了其他兩種噴嘴產(chǎn)生的空化作用面大,在入口壓力小于18 MPa時,中心體空化噴嘴和淹沒空化噴嘴的射流沖蝕面相當,隨后中心體空化噴嘴射流作用面范圍不及淹沒空化噴嘴,隨著壓力增大,淹沒空化噴嘴沖蝕孔徑增加較快,而中心體空化噴嘴沖蝕孔徑增加速度變緩,說明入口壓力達到一定值后,淹沒空化射流剪切作用更強,而中心體空化噴嘴射流空化效果變化趨緩。結合沖蝕深度效果,在壓力較低的情況下,中心體空化噴嘴和淹沒空化噴嘴的沖蝕面相當,但中心體空化噴嘴射流沖蝕深度比淹沒空化噴嘴深,說明在壓力較低的情況下,中心體空化噴嘴空化效果比淹沒空化噴嘴、角形噴嘴具有更好的集束性。綜上分析,入口壓力對射流沖蝕效果影響很大。

3.3 靶距對射流沖蝕效果的影響

靶距是指噴嘴出口端到物體表面的距離。對所設計的中心體空化噴嘴進行沖蝕打擊實驗,確定合適的靶距范圍,分別采取六種沖蝕靶距2 mm、6 mm、10 mm、14 mm、16 mm和18 mm,綜合數(shù)值模擬和入口壓力變化實驗研究,取入口壓力20 MPa進行實驗,沖蝕時間10 s。非淹沒射流條件下，靶距沖蝕坑深度和孔徑尺寸見表3,靶距對中心體空化噴嘴沖蝕效果的影響見圖10,不同靶距下的沖蝕形態(tài)見圖11。

表3 非淹沒射流條件下，靶距、沖蝕深度和沖蝕孔徑尺寸表

圖10 入口壓力20 MPa、時間10 s時，靶距對中心體空化噴嘴沖蝕效果的影響圖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和圖10發(fā)現(xiàn):隨著靶距增加,噴嘴沖蝕孔徑逐漸增大,增速趨緩,沖蝕深度逐漸減小,這主要是因為靶距增加,噴嘴出口射流會慢慢擴散,對表面的集束沖擊作用減弱。對比淹沒空化噴嘴,沖蝕隨靶距增加先增加后減小,造成變化不同的原因是在淹沒條件下,隨著靶距增加,空化泡生長發(fā)展后潰滅,導致空化泡體積分數(shù)先增大后減小,當達到一定靶距后,能量衰減較快,沒有空化產(chǎn)生,只有水射流沖擊作用存在；而在非淹沒條件下,中心體空化噴嘴射流繞過中心體底端后,出現(xiàn)旋渦,并與周圍空氣產(chǎn)生剪切作用,在噴嘴出口附近出現(xiàn)大量空化泡,空化泡潰滅,產(chǎn)生的沖蝕作用最大,隨著靶距增加,空化泡數(shù)量逐漸減少,沖蝕作用減弱,直至空化消失,僅有射流沖擊作用。

由圖11可以看到,經(jīng)中心體空化噴嘴射流沖蝕后,磚塊表面形成了一定大小的圓形蝕坑,當靶距在2～10 mm 時,沖蝕孔徑范圍較小,中心體空化噴嘴射流的集束效果好,沖蝕作用集中；當靶距達到14 mm時,射流擴散,沖蝕作用不集中,蝕坑孔徑大,深度較淺。

綜上分析發(fā)現(xiàn)，中心體空化噴嘴在非淹沒情況下,隨著靶距增加,沖蝕孔徑逐漸增大,沖蝕深度逐漸減小;通過對比淹沒空化噴嘴,中心體空化噴嘴射流集束性更好,達到一定靶距后,空化作用都減弱,實驗所設計采用的中心體空化噴嘴最佳靶距范圍為2～14 mm。

4 結論

1)在相同泵壓條件下,中心體空化噴嘴和淹沒空化噴嘴的沖蝕能力為角形噴嘴的1.5～2倍,在入口壓力小于20 MPa時,中心體空化噴嘴的沖蝕能力比淹沒空化噴嘴強,隨著壓力進一步增大,淹沒空化噴嘴淹沒射流剪切作用加強,空化作用明顯增強,沖蝕能力高于中心體空化噴嘴且增加迅速,而中心體空化噴嘴沖蝕能力減弱。

2)在壓力較低的情況下,中心體空化噴嘴和淹沒空化噴嘴的沖蝕面相當,但中心體空化噴嘴射流沖蝕深度比淹沒空化噴嘴大,說明在壓力較低的情況下,中心體空化噴嘴空化效果比淹沒空化噴嘴、中心體空化噴嘴具有更好的集束性。

3)中心體空化噴嘴在非淹沒情況下,隨著靶距增加,沖蝕孔徑逐漸增大,沖蝕深度逐漸減小;通過對比淹沒空化噴嘴,中心體空化噴嘴射流集束性更好,達到一定靶距后,空化作用都減弱,實驗所設計采用的中心體空化噴嘴最佳靶距范圍為2～14 mm。