張鳳華，王 勇，陳 谷

（湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

V.E.Johnson 等[1]將空化技術(shù)引入水射流技術(shù)領(lǐng)域，開創(chuàng)了一種新型的空化水射流技術(shù)。為了能更有效地產(chǎn)生空化，國內(nèi)外學(xué)者們研發(fā)了各種類型的空化噴嘴。如A.Lichtarowicz[2]使用中心體噴嘴和旋轉(zhuǎn)葉片噴嘴產(chǎn)生空化水射流，這成為了經(jīng)典的空化噴嘴。此外，日本學(xué)者Katsuya Yanaida[3]報(bào)告了淹沒條件下角形噴嘴的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。上海理工大學(xué)蔣彧澄等[4]在空化水射流方面做了大量的研究，并且取得了許多的研究成果。湖南工業(yè)大學(xué)申碩等[5-7]利用自激振蕩脈沖技術(shù)，對(duì)淹沒條件下的水射流沖蝕能力進(jìn)行了研究，并且對(duì)噴嘴流道形狀對(duì)空化水射流空化效果的影響進(jìn)行了理論研究與數(shù)值研究。劉海峰等[8]對(duì)擴(kuò)展角對(duì)空化強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展角的存在對(duì)液泡流的流動(dòng)特性影響較為強(qiáng)烈，空化泡在臨界面附近高強(qiáng)度、高頻率振蕩導(dǎo)致的空泡多次潰滅過程，將有利于釋放更大的空化能量。黑龍江科學(xué)院姚立明等[9-10]研究了不同環(huán)境下的空泡差異，得到其他條件相同時(shí)，噴嘴入口壓力越大產(chǎn)生的空泡體積越大、水下深度越深產(chǎn)生的空泡長度越小的結(jié)論。其后，他們又對(duì)不同噴嘴結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬探究，認(rèn)為具有擴(kuò)散形出口流道的空化噴嘴的空化強(qiáng)度較高[10]。解放軍后勤工程學(xué)院廖松等[11]對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的中心體空化噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，他們得出的結(jié)果顯示，合理地組合噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠提高其空化沖蝕能力。上海海洋大學(xué)孫鵬飛等[12]研究了噴嘴擴(kuò)張結(jié)構(gòu)與噴嘴諧振腔高度、諧振腔寬度、擴(kuò)張管角度和泵額定壓力等射流參量變化對(duì)空化水射流效果的影響。

由以上論述可以得知，空化水射流研究者們對(duì)空化強(qiáng)度與噴嘴出口流道形狀進(jìn)行了大量的仿真與實(shí)驗(yàn)研究，但是關(guān)于噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)空化水射流沖蝕效果的影響與機(jī)理方面的研究還有待進(jìn)一步深入。因此，本文擬在淹沒條件下，通過改變噴嘴靶距和背壓，以不同結(jié)構(gòu)噴嘴空化水射流沖蝕陶磚，探討空化水射流沖蝕陶磚的機(jī)理以及空化噴嘴產(chǎn)生空化的機(jī)理，為空化水射流技術(shù)研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置

本研究中采用的淹沒射流沖蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該系統(tǒng)由工作水箱、過濾器1、進(jìn)水管、高壓柱塞泵、控制器、調(diào)壓閥、壓力表1、高壓管、淹沒射流沖蝕裝置、噴管、噴嘴、試件、轉(zhuǎn)盤、壓力表2、過濾器2、出水管、背壓閥和流量計(jì)等部件組成。其中，高壓柱塞泵（型號(hào)為8M530，由西馬力天津有限公司生產(chǎn)）的額定功率為7.5 kW，額定壓力為21 MPa，流量為1 134 L/h；高壓泵自帶泵壓調(diào)壓閥，手動(dòng)調(diào)節(jié)泵壓范圍為0～21 MPa，本實(shí)驗(yàn)的控制泵壓P0為12.5 MPa。

圖1 淹沒射流沖蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the submerged jet erosion experiment system

圖2 為淹沒空化射流實(shí)驗(yàn)裝置照片。

圖2 淹沒空化射流沖蝕實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.2 Field diagram of a submerged cavitation jet erosion experiment

圖2 所示淹沒空化射流沖蝕裝置由本課題組自行研制，射流裝置采用全密封的高壓容器模擬深水環(huán)境。射流裝置上設(shè)有壓力表、升降裝置，并且由進(jìn)水管與高壓柱塞泵連接。高壓容器內(nèi)的背壓可以達(dá)1.6 MPa，相當(dāng)于模擬160 m 的水下環(huán)境。背壓閥17（型號(hào)為QSBF-P5/1.0，由上海詩橋閥門制造有限公司生產(chǎn)）的背壓調(diào)節(jié)范圍為0～1.0 MPa。實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)流量的渦旋流量計(jì)（型號(hào)為LWGYD-1，由安徽合肥福斯達(dá)測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)）的量程為0.4～8.0 m3/h，精度等級(jí)為0.5%。

工作水箱1 中的實(shí)驗(yàn)用水，由進(jìn)水管3 進(jìn)入高壓柱塞泵4。調(diào)壓閥6 用于調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的泵壓。高壓管8 將高壓柱塞泵4 輸出的高壓水送入淹沒射流沖蝕裝置中。調(diào)節(jié)噴管10 與試件12 之間的間距，可以設(shè)定實(shí)驗(yàn)的靶距。高壓水由噴管尾端連接的噴嘴11 高速垂直射向陶磚試件12。調(diào)節(jié)背壓閥17，使背壓穩(wěn)定為實(shí)驗(yàn)設(shè)定的背壓值。高壓容器內(nèi)的水由出水管16 依次進(jìn)入過濾器15、背壓閥17、流量計(jì)18，然后回流到工作水箱中，形成整個(gè)閉合循環(huán)回路。為了減少拆卸時(shí)間，提高工作效率，并且提供沖蝕一致的工作環(huán)境，采用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤的工作方式。轉(zhuǎn)盤13 的直徑為400 mm，可以提供8 個(gè)工位。陶磚試件沖蝕完成實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間后，迅速進(jìn)入下一個(gè)工位。轉(zhuǎn)動(dòng)手輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，下一個(gè)試件即進(jìn)入實(shí)驗(yàn)工位。結(jié)束一組試件的沖蝕實(shí)驗(yàn)后，打開高壓容器上端蓋，取出試件，然后提取實(shí)驗(yàn)所需數(shù)據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)采用陶磚作為沖蝕試件。陶磚是實(shí)心黏土磚，通常采用優(yōu)質(zhì)黏土甚至紫砂陶土高溫?zé)?，主要成分為天然黏土，并且用石英、長石等為骨料燒制，具有良好的穩(wěn)定性、均質(zhì)性和易獲取性等。沖蝕破壞裂紋擴(kuò)展屬于典型的脆性擴(kuò)展，其擴(kuò)展形式與混凝土、巖石等脆性材料的擴(kuò)展形式一致。試件尺寸長×寬×高為100 mm×67 mm×40 mm，陶磚實(shí)測(cè)參數(shù)厚度偏差小于1 mm，抗壓強(qiáng)度為6.6 MPa，陶磚由湖北錦坤陶業(yè)股份有限公司生產(chǎn)。

實(shí)驗(yàn)采用的噴嘴分別為普通噴嘴（噴嘴A）、漸收-突擴(kuò)型噴嘴（噴嘴B）和漸收-漸擴(kuò)型噴嘴（噴嘴C），材質(zhì)均為304 不銹鋼，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示，圖中尺寸單位為mm。為便于對(duì)比研究，設(shè)計(jì)的3 個(gè)噴嘴入口流道一致，入口流道直徑為12 mm，收縮錐角為120°，喉管直徑為1.5 mm，喉管長度為8 mm。出口形狀分別如下：噴嘴A，不帶擴(kuò)口；噴嘴B，帶有突擴(kuò)出口，且長度和直徑均為12 mm；噴嘴C，帶有漸擴(kuò)出口，漸擴(kuò)角為60°，漸擴(kuò)出口端的直徑為12 mm。

圖3 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the nozzle structure

1.2 測(cè)試方法

用秒表測(cè)試沖蝕時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的沖蝕時(shí)間為4 min。以游標(biāo)卡尺（型號(hào)為DL91150，由寧波得力文具有限公司生產(chǎn)）測(cè)試沖蝕深度和沖蝕直徑。以電子天平（型號(hào)為HTP312，由上?；ǔ彪娖饔邢薰旧a(chǎn)）測(cè)試試件質(zhì)量，測(cè)量精度為0.01 g，量程為0～600 g。用金屬鐵粉（粒度為60 目，F(xiàn)e 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于98%，密度為7.845 g/cm3）填充沖蝕坑，通過電子天平稱量，用于表征沖蝕坑的體積。每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均沖蝕3 個(gè)試件，以測(cè)量所得的平均值作為實(shí)驗(yàn)讀數(shù)。

泵壓P0（MPa）用壓力表讀數(shù)，本實(shí)驗(yàn)中選取的泵壓為12.5 MPa。

靶距取噴嘴喉管出口處到靶物的垂直距離D(mm)。噴嘴A 選取的靶距為5,10,15,20,25,30,35 mm；噴嘴B 選取的靶距為17,22,27,32,37,42,47 mm；噴嘴C 選取的靶距為14,19,24,29,34,39,44 mm。

背壓Pb（MPa）用高壓容器壓力表14 讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)中背壓取0,0.1,0.2,0.3,0.4 MPa。

沖蝕深度H（mm）采用游標(biāo)卡尺測(cè)量，在沖蝕后陶磚試件沖蝕孔的最低處測(cè)量3 次，取其平均值記為沖蝕深度。

沖蝕面積S（mm2）采用求橢圓面積法獲取。先以游標(biāo)卡尺測(cè)量沖蝕后沖蝕坑的最大徑a（mm）和最小徑b（mm），再用S=a×b來表征沖蝕破壞面積。

沖蝕坑填充鐵粉的質(zhì)量M（g）采用稱重法測(cè)量。先干燥沖蝕后的陶磚，并且在精度為0.01 g 的天平上測(cè)量其質(zhì)量。再將已知密度和粒徑的鐵粉填充沖蝕坑后放在天平上測(cè)量其質(zhì)量，兩次稱量的差值就是填充鐵粉的質(zhì)量。獲得的填充鐵粉質(zhì)量可以用于表征沖蝕試件的體積。

1.3 評(píng)價(jià)沖蝕實(shí)驗(yàn)效果的參數(shù)

淹沒水射流沖蝕試件的深度，主要是由射流直接沖擊力形成的，故用指標(biāo)沖蝕深度H表征無空化的射流沖擊效果。

沖蝕破壞面積主要是由淹沒空化水射流空化效應(yīng)的微射流高頻高速?zèng)_擊力形成的，故用指標(biāo)沖蝕破壞面積S來表征淹沒空化水射流的空化效應(yīng)。

淹沒空化水射流沖蝕試件是射流直接沖擊和空化效應(yīng)協(xié)同的結(jié)果，故用指標(biāo)沖蝕坑填充鐵粉質(zhì)量M來表征淹沒空化水射流沖蝕試件的協(xié)同效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 靶距的影響

圖4 所示為3 種噴嘴在背壓Pb為0 時(shí)，改變靶距D對(duì)沖蝕深度的影響結(jié)果。

圖4 不同噴嘴結(jié)構(gòu)下靶距對(duì)沖蝕深度的影響Fig.4 Effects of target distance on erosion depth of different nozzle structures

從圖4 中可以看出，噴嘴A 的沖蝕深度隨著靶距的增加，呈現(xiàn)出先急劇下降后又增加再逐漸減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)靶距D為5 mm 時(shí)，沖蝕深度H為39.5 mm；靶距超出20 mm 后，當(dāng)靶距D為25 mm時(shí)，存在一個(gè)沖蝕深度H的極大值點(diǎn)，為8 mm。表明射流的軸心速度隨著靶距的增大而迅速衰減。當(dāng)靶距D超過20 mm 后，噴嘴B 和噴嘴C 的沖蝕深度H均大于噴嘴A 的沖蝕深度，說明噴嘴出口的擴(kuò)張部分對(duì)射流的軸心速度具有一定的保護(hù)作用。噴嘴B和噴嘴C 的沖蝕深度的最佳靶距D分別為22 mm 和34 mm，并且它們的最佳靶距對(duì)應(yīng)的沖蝕深度分別為14.5 mm 和15 mm。噴嘴C 的相應(yīng)最佳靶距大于噴嘴B 的，表明噴嘴C 對(duì)射流軸心速度的保護(hù)作用優(yōu)于噴嘴B 的，可見噴嘴出口漸擴(kuò)較突擴(kuò)更有利于保護(hù)射流軸心速度。

圖5 所示為3 種噴嘴在背壓Pb為0 時(shí)，改變靶距D對(duì)沖蝕破壞面積的影響結(jié)果。

圖5 不同噴嘴結(jié)構(gòu)下靶距對(duì)沖蝕破壞面積的影響Fig.5 Effects of target distance on erosion damage area of different nozzle structures

從圖5 中可以看出，3 種噴嘴的沖蝕破壞面積S大體上隨著靶距D的增加而增大。噴嘴A 在靶距D為20～30 mm 時(shí)，其沖蝕破壞面積變化不大，基本保持穩(wěn)定，但是當(dāng)靶距為30 mm 時(shí)，其沖蝕破壞面積達(dá)最大值；噴嘴B 的沖蝕面積S與靶距D的變化曲線斜率Κ在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)近似為定值，并且在靶距D為37 mm 時(shí)沖蝕破壞面積達(dá)最大值；噴嘴C 的沖蝕面積S隨著靶距的增加而增大，且其曲線變化類似指數(shù)函數(shù)增加。當(dāng)靶距D為44 mm 時(shí)，其沖蝕破壞面積S達(dá)最大值。

圖5 表明，不同噴嘴射流的空蝕能力具有不同的表現(xiàn)。噴嘴A 在靶距D為20～35 mm 時(shí)，其空蝕能力基本保持不變，而當(dāng)靶距小于20 mm 時(shí)，其空蝕能力較小。說明當(dāng)普通噴嘴（噴嘴A）的靶距較小時(shí)，空泡來不及長大，故空蝕效果較差。當(dāng)靶距超過一定值（D＞20 mm）后，空泡得到足夠程度長大，并在靶物上潰滅，表現(xiàn)出相對(duì)較強(qiáng)的空蝕能力，且在一定靶距范圍內(nèi)基本保持穩(wěn)定。噴嘴B 的空蝕能力在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)得到較為穩(wěn)定的增長，說明突擴(kuò)結(jié)構(gòu)噴嘴（噴嘴B）的空泡長大和在靶物上潰滅的能力在一定靶距范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定提升。噴嘴C 的空蝕能力在一定范圍內(nèi)（D＜35 mm）基本保持不變，當(dāng)靶距超過一定值（D＞35 mm）后，其空蝕能力快速提升，說明漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)噴嘴（噴嘴C）的空泡長大和在靶物上潰滅的能力，在噴嘴的出口階段較為穩(wěn)定，當(dāng)靶距大于一定值后才迅速提升。

圖6 所示為3 種噴嘴在背壓Pb為0 時(shí)，改變靶距D對(duì)沖蝕坑填充鐵粉質(zhì)量的影響結(jié)果。

圖6 不同噴嘴結(jié)構(gòu)下靶距對(duì)沖蝕坑填充鐵粉質(zhì)量的影響Fig.6 Effects of target distance on the quality of iron powder filled with different nozzle structures

由圖6 可以得知，噴嘴A 的沖蝕坑填充鐵粉質(zhì)量M隨著靶距D的增加在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)有小幅波動(dòng)，而當(dāng)靶距D為25 mm 時(shí)，其存在一個(gè)極大值點(diǎn)，此時(shí)的沖蝕填充鐵粉質(zhì)量MA為5.89 g；噴嘴B 的沖蝕坑填充鐵粉質(zhì)量M隨著靶距D的增加呈現(xiàn)出先快速增大然后快速下降的特點(diǎn)，變化曲線也存在一個(gè)極大值點(diǎn)，此時(shí)的沖蝕坑填充鐵粉質(zhì)量MB為17.50 g，最佳靶距D為27 mm。噴嘴C 的沖蝕坑填充鐵粉質(zhì)量M，隨著靶距D的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)靶距為39 mm 時(shí)，其沖蝕坑填充鐵粉質(zhì)量MC達(dá)最大值，為15.76 g，并且最佳的靶距范圍為34～39 mm。

射流沖蝕坑填充鐵粉質(zhì)量M是空化射流沖蝕試件時(shí)射流沖擊效應(yīng)和空蝕效應(yīng)的協(xié)同結(jié)果。圖6 表明，噴嘴B 和噴嘴C 的射流沖蝕試件能力均顯著優(yōu)于噴嘴A的。噴嘴B和噴嘴C的射流沖蝕試件的能力相當(dāng)，但噴嘴C 的相應(yīng)最佳靶距更長，噴嘴B 對(duì)最佳靶距的控制要求更高。

2.2 背壓的影響

實(shí)驗(yàn)所得本研究中的3 種噴嘴的沖蝕深度H、沖蝕破壞面積S和沖蝕填充鐵粉質(zhì)量M隨背壓的變化曲線分別如圖7～9 所示。

圖7 不同噴嘴結(jié)構(gòu)下背壓對(duì)沖蝕深度的影響Fig.7 Effects of back pressure on the erosion depth of different nozzle structures

圖8 不同噴嘴結(jié)構(gòu)下背壓對(duì)沖蝕破壞面積的影響Fig.8 Effects of back pressure on the erosion damage area of different nozzle structures

圖9 不同噴嘴結(jié)構(gòu)下背壓對(duì)沖蝕坑填充鐵粉質(zhì)量的影響Fig.9 Effects of back pressure on the quality of iron powder filled with different nozzle structures

圖7～9 中的參數(shù)H、S和M取值均為相應(yīng)背壓Pb下最佳靶距對(duì)應(yīng)的讀數(shù)。為便于對(duì)比，噴嘴A 選取的靶距為15,20,25,30,35 mm，噴嘴B 選取的靶距為17,22,27,32,37 mm，噴嘴C 選取的靶距為14,19,24,29,34 mm。

由圖7～9 可以得知，噴嘴B 和噴嘴C 的射流沖蝕效果明顯優(yōu)于噴嘴A 的沖蝕效果，即噴嘴出口有擴(kuò)展流道噴嘴的沖蝕效果要明顯優(yōu)于普通噴嘴（噴嘴出口無擴(kuò)展流道）的。隨著背壓的增加，噴嘴B 和噴嘴C 的參數(shù)H、S和M均出現(xiàn)了最佳背壓值Pbopt，沖蝕深度H和沖蝕填充鐵粉質(zhì)量M的最佳背壓為0.2 MPa，沖蝕破壞面積S的最佳背壓為0.1 MPa。在最佳背壓下，突擴(kuò)噴嘴（噴嘴B）的沖蝕效果H、S和M皆最好。

淹沒水射流的軸向速度隨著背壓的增加而衰減，射流中空泡生長和潰滅也皆與其環(huán)境壓力（背壓）密切相關(guān)。當(dāng)背壓較小時(shí)，雖然射流軸向速度衰減較小，但空泡潰滅的環(huán)境壓力較小，因而潰滅時(shí)產(chǎn)生的微射流速度較小，射流沖蝕的協(xié)同效果較差。這說明空蝕效應(yīng)在射流沖蝕效果中有不可忽略的貢獻(xiàn)。當(dāng)背壓過大時(shí)，射流軸向速度衰減較大，而空泡不能足夠長大，因而潰滅時(shí)產(chǎn)生的微射流速度較小，導(dǎo)致射流的沖蝕效果較差。因此，射流的沖蝕效果存在一個(gè)最佳背壓值。沖蝕破壞面積S的最佳背壓為0.1 MPa，較沖蝕深度H和沖蝕填充鐵粉質(zhì)量M的最佳背壓（均為0.2 MPa）小，說明背壓為0.1 MPa 時(shí)，射流中空泡潰滅的范圍較大，但因背壓較小，空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的微射流的速度較小，其同射流直接沖擊效應(yīng)的協(xié)同效果要到背壓為0.2 MPa 時(shí)才充分顯現(xiàn)出來。

在淹沒條件下，水射流從噴嘴射出后，相對(duì)于普通噴嘴（噴嘴A）而言，具有擴(kuò)展型出口結(jié)構(gòu)的噴嘴（噴嘴B 和噴嘴C）的射流在空間上受到了限制，射流與伴隨流之間產(chǎn)生劇烈的動(dòng)量交換，在剪切層內(nèi)產(chǎn)生了大量更高強(qiáng)度的大小渦旋，這些渦旋更有利于空泡的生長，能保護(hù)空泡在更大的環(huán)境壓力（背壓）下潰滅，因此，具有擴(kuò)展型出口結(jié)構(gòu)的噴嘴（噴嘴B 和噴嘴C）的沖蝕效果明顯優(yōu)于普通噴嘴（噴嘴A）的。其中，噴嘴B 略優(yōu)于噴嘴C，說明在最佳背壓范圍內(nèi)突擴(kuò)型噴嘴結(jié)構(gòu)的空化效果略優(yōu)于漸擴(kuò)型噴嘴結(jié)構(gòu)的，或者說噴嘴B 具有更好的抗背壓能力。

2.3 沖蝕形貌分析

3 種噴嘴在背壓為0.2 MPa 時(shí)的沖蝕形貌特征，如圖10～12 所示。

圖10 不同靶距下噴嘴A 的沖蝕形貌Fig.10 Erosion morphology of nozzle A with different target distances

如圖10 所示，噴嘴A 射流沖蝕坑形貌特征呈現(xiàn)為比較規(guī)則的“漏斗坑”。這可能是因?yàn)槠胀▏娮斓慕Y(jié)構(gòu)不易形成較為有效的空化射流，射流中以射流直接沖擊為主，空化效應(yīng)的高頻微射流撞擊力對(duì)試件作用能力較弱，故在射流擴(kuò)散性的復(fù)合作用下，形成沖蝕坑形貌特征比較規(guī)則的“漏斗坑”。

圖11 不同靶距下噴嘴B 的沖蝕形貌Fig.11 Erosion morphology of nozzle B with different target distances

如圖11 所示，噴嘴B 的射流沖蝕坑形貌呈現(xiàn)為扁平的、不規(guī)則的“橢圓坑”。造成這一現(xiàn)象的可能原因是噴嘴B 的沖蝕深度特征是由空化射流中射流直接沖擊力引起的。而沖蝕表面形成不規(guī)則的橢圓現(xiàn)象，是因?yàn)閲娮斐隹谕粩U(kuò)流道對(duì)射流空間上的限制，導(dǎo)致射流與伴隨流的劇烈動(dòng)能交換，在剪切層形成了大小不同的渦旋，而更高強(qiáng)度的大渦旋變形、擴(kuò)散而形成扁平的、不規(guī)則的“橢圓坑”。這一結(jié)果說明，噴嘴B 的漸收-突擴(kuò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了更為劇烈的空化效應(yīng)。這些更高強(qiáng)度的大渦能更好地保護(hù)渦旋內(nèi)的空泡在更高的背壓下潰滅。

圖12 不同靶距下噴嘴C 的沖蝕形貌Fig.12 Erosion morphology of nozzle C with different target distances

由圖12 可以看出，噴嘴C 的沖蝕坑呈現(xiàn)出“圓柱坑”的形貌。這說明噴嘴C 的射流沖擊力和空化效應(yīng)的空泡潰滅產(chǎn)生的微射流協(xié)同作用相互激勵(lì)，優(yōu)化了噴嘴的沖蝕效應(yīng)，加強(qiáng)了噴嘴沖蝕破碎靶物的能力。且噴嘴C的沖蝕坑底部呈現(xiàn)出圓環(huán)狀的“彩虹坑”，其外環(huán)的沖蝕深度明顯大于圓環(huán)的中心位置處的沖蝕深度，這說明射流剪切層中的空泡潰滅尚未波及水射流軸心。而噴嘴B 的沖擊形貌未出現(xiàn)坑底的“彩虹坑”，說明噴嘴B 的射流剪切層中的空泡潰滅已經(jīng)波及了水射流軸心，故噴嘴B 的沖蝕效果較之噴嘴C 的沖蝕效果要好。

3 結(jié)論

通過研發(fā)的空化射流沖蝕裝置，選用普通噴嘴、漸收-突擴(kuò)型噴嘴和漸收-漸擴(kuò)型噴嘴3 種不同類型的空化噴嘴，進(jìn)行噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)淹沒空化水射流沖蝕試件的研究，可得到如下主要結(jié)論：

1）漸收-突擴(kuò)型噴嘴和漸收-漸擴(kuò)型噴嘴的空化水射流沖蝕能力明顯優(yōu)于普通噴嘴的；

2）漸收-突擴(kuò)型噴嘴和漸收-漸擴(kuò)型噴嘴的空化水射流沖蝕能力具有最佳背壓值；

3）漸收-漸擴(kuò)型噴嘴較之漸收-突擴(kuò)型噴嘴具有更長的最佳靶距；

4）漸收-突擴(kuò)型噴嘴具有更好的抗背壓能力。