廖 松 鄧松圣 趙華忠 管金發(fā) 姚 粟

1. 中國(guó)人民解放軍31650部隊(duì), 云南 馬龍 655100; 2. 中國(guó)人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系, 重慶 401331; 3. 中國(guó)人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院研究生大隊(duì), 重慶 401331

0 前言

空化水射流技術(shù)憑其安全、高效,以及破壞能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),在船舶清洗、材料處理以及石油開(kāi)采等方面得到了較廣泛應(yīng)用[1-4]。與其他空化噴嘴相比,中心體空化噴嘴射流的相關(guān)研究較少[5],為此,本文參照相關(guān)文獻(xiàn)資料[6-12],設(shè)計(jì)了一種新型中心體空化噴嘴,對(duì)其產(chǎn)生的射流進(jìn)行沖蝕實(shí)驗(yàn)研究,并與角形噴嘴、淹沒(méi)空化噴嘴的射流沖蝕性能[13-19]進(jìn)行對(duì)比分析。

1 噴嘴和實(shí)驗(yàn)材料

沖蝕實(shí)驗(yàn)所采用的中心體空化噴嘴尺寸見(jiàn)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(méi)空化噴嘴的剖面示意圖和加工后的實(shí)物見(jiàn)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(qiáng)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(zhì)采用黃銅,外噴嘴和中心體支架采用鋁合金,價(jià)格便宜且易于加工,而其他兩種噴嘴材質(zhì)均采用304不銹鋼。

實(shí)驗(yàn)中所使用的實(shí)驗(yàn)材料是高溫莫來(lái)石磚,見(jiàn)圖2。高溫莫來(lái)石磚具有一定的硬度,質(zhì)地均勻,是一種優(yōu)質(zhì)的耐火磚,主要由莫來(lái)石燒結(jié)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(zhì)。

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

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)在高壓水射流清洗切割平臺(tái)上進(jìn)行,中心體空化水射流沖蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖3。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由變頻電控箱、高壓柱塞泵、電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)高壓柱塞泵,依靠柱塞在缸體中的往復(fù)運(yùn)動(dòng),致使工作腔容積發(fā)生周期性變化,經(jīng)高壓泵后,電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力能,從而實(shí)現(xiàn)液體的輸送。

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

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作流程:首先,啟動(dòng)變頻電控箱,待變頻電控箱運(yùn)行穩(wěn)定；再啟動(dòng)高壓柱塞泵,調(diào)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(shí)驗(yàn)裝置的主要參數(shù)說(shuō)明見(jiàn)表2,高壓柱塞泵見(jiàn)圖4。

表2 實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)說(shuō)明表

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

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備條件下,依次對(duì)中心體空化噴嘴、角形噴嘴以及淹沒(méi)空化噴嘴在非淹沒(méi)條件下進(jìn)行沖蝕打擊實(shí)驗(yàn),主要研究分析噴嘴沖蝕時(shí)間、入口壓力和靶距對(duì)不同噴嘴沖蝕能力的影響,對(duì)射流形態(tài)和沖蝕試樣效果進(jìn)行對(duì)比分析,衡量三種不同噴嘴的沖蝕性能,通過(guò)對(duì)比分析,確定中心體空化噴嘴的有效靶距范圍。實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1)實(shí)驗(yàn)材料為高溫莫來(lái)石磚,準(zhǔn)備表面清潔平整的莫來(lái)石磚若干,并編好序號(hào)。

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(lái)石磚放置于臺(tái)架底座上,調(diào)整控制噴嘴出口到磚表面的距離。

3)開(kāi)啟水閥,將儲(chǔ)水箱充滿水,通過(guò)節(jié)流調(diào)節(jié)閥控制水箱里水的高度,開(kāi)啟高壓柱塞泵,調(diào)節(jié)壓力變頻器,控制壓力,當(dāng)噴嘴入口壓力設(shè)定好后,開(kāi)始計(jì)時(shí),計(jì)時(shí)數(shù)十秒后,沖蝕結(jié)束,關(guān)閉高壓柱塞泵。

4)對(duì)沖蝕打擊后的高溫莫來(lái)石磚進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量沖蝕深度和打擊孔徑,記錄數(shù)據(jù),每種工況測(cè)量3個(gè)數(shù)據(jù),然后取平均值。

5)通過(guò)單一變量,改變沖蝕時(shí)間、入口壓力和靶距,測(cè)試不同噴嘴的沖蝕性能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5為沖蝕前后的高溫莫來(lái)石磚,高溫莫來(lái)石磚表面由于射流沖蝕而形成的蝕坑。圖6為淹沒(méi)空化水射流和中心體空化射流自噴嘴噴出后的流動(dòng)形態(tài),射流自噴嘴噴出后都有一定的發(fā)散,淹沒(méi)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(shí)發(fā)出的噪聲,側(cè)面證實(shí)了噴嘴可有效產(chǎn)生空化,為下一步研究奠定了基礎(chǔ)。

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

a)淹沒(méi)空化噴嘴a)Submerged cavitation nozzle

3.1 沖蝕時(shí)間對(duì)射流沖蝕效果的影響

圖7顯示了沖蝕時(shí)間與噴嘴射流沖蝕深度的關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制入口壓力15 MPa、靶距10 mm,改變沖蝕時(shí)間,對(duì)比沖蝕效果。從圖7可以看出,隨著沖蝕時(shí)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(méi)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(méi)空化噴嘴的沖蝕深度相當(dāng)。這主要是因?yàn)檠蜎](méi)環(huán)境下,射流產(chǎn)生空化作用靶距更大,隨著時(shí)間增加,射流沖蝕深度加深,導(dǎo)致靶距增加,淹沒(méi)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(diǎn)潰滅,沖蝕作用減弱較快;另外沖蝕在磚塊表面形成了一個(gè)小深坑,坑里有積水,對(duì)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(méi)空化噴嘴產(chǎn)生的空化效果相當(dāng),因而沖蝕深度也相當(dāng)。

圖7 入口壓力15 MPa、靶距10 mm時(shí)，沖蝕時(shí)間與噴嘴射流沖蝕深度的關(guān)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(kāi)始時(shí)短時(shí)間內(nèi)的打擊位置,選擇三個(gè)不同的作用點(diǎn),在入口壓力15 MPa、靶距10 mm時(shí),沖蝕10 s,淹沒(méi)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(duì)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(shí)間內(nèi),沖蝕深度變化不大,且都在合適的靶距范圍內(nèi),中心體噴嘴沖蝕深度卻相對(duì)大些,說(shuō)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(duì)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(guān)系,圖9顯示了入口壓力與射流沖蝕孔徑的關(guān)系,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制靶距10 mm、時(shí)間10 s,改變?nèi)肟趬毫?對(duì)比沖蝕效果。

圖8 靶距10 mm、時(shí)間10 s時(shí)，入口壓力與噴嘴射流沖蝕深度關(guān)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(shí)間10 s時(shí)，入口壓力與噴嘴射流沖蝕孔徑關(guān)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(méi)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(méi)空化噴嘴的沖蝕深度和沖蝕孔徑比角形噴嘴的大,說(shuō)明中心體空化噴嘴和淹沒(méi)空化噴嘴產(chǎn)生的空化效果比角形噴嘴好,空蝕作用更強(qiáng)。從沖蝕深度看,中心體空化噴嘴和淹沒(méi)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(nèi),沖蝕深度增速較大,之后變化趨勢(shì)變緩,在入口壓力小于20 MPa時(shí),中心體空化噴嘴的沖蝕能力比淹沒(méi)空化噴嘴強(qiáng),隨著壓力進(jìn)一步增大,淹沒(méi)空化噴嘴淹沒(méi)射流剪切作用加強(qiáng),空化作用明顯增強(qiáng),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?yàn)檫_(dá)到一定深度后,噴嘴出口端到作用點(diǎn)的距離增大,中心體繞流產(chǎn)生空化泡擴(kuò)散距離有限,導(dǎo)致空化作用減弱,而淹沒(méi)空化噴嘴在淹沒(méi)條件下空泡擴(kuò)散效果更好;從沖蝕孔徑來(lái)看,角形噴嘴射流沖蝕孔徑最小,也說(shuō)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(shí),中心體空化噴嘴和淹沒(méi)空化噴嘴的射流沖蝕面相當(dāng),隨后中心體空化噴嘴射流作用面范圍不及淹沒(méi)空化噴嘴,隨著壓力增大,淹沒(méi)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(shuō)明入口壓力達(dá)到一定值后,淹沒(méi)空化射流剪切作用更強(qiáng),而中心體空化噴嘴射流空化效果變化趨緩。結(jié)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(méi)空化噴嘴的沖蝕面相當(dāng),但中心體空化噴嘴射流沖蝕深度比淹沒(méi)空化噴嘴深,說(shuō)明在壓力較低的情況下,中心體空化噴嘴空化效果比淹沒(méi)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(duì)射流沖蝕效果影響很大。

3.3 靶距對(duì)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(duì)所設(shè)計(jì)的中心體空化噴嘴進(jìn)行沖蝕打擊實(shí)驗(yàn),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(shí)驗(yàn)研究,取入口壓力20 MPa進(jìn)行實(shí)驗(yàn),沖蝕時(shí)間10 s。非淹沒(méi)射流條件下，靶距沖蝕坑深度和孔徑尺寸見(jiàn)表3,靶距對(duì)中心體空化噴嘴沖蝕效果的影響見(jiàn)圖10,不同靶距下的沖蝕形態(tài)見(jiàn)圖11。

表3 非淹沒(méi)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(shí)間10 s時(shí)，靶距對(duì)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?yàn)榘芯嘣黾?噴嘴出口射流會(huì)慢慢擴(kuò)散,對(duì)表面的集束沖擊作用減弱。對(duì)比淹沒(méi)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(méi)條件下,隨著靶距增加,空化泡生長(zhǎng)發(fā)展后潰滅,導(dǎo)致空化泡體積分?jǐn)?shù)先增大后減小,當(dāng)達(dá)到一定靶距后,能量衰減較快,沒(méi)有空化產(chǎn)生,只有水射流沖擊作用存在；而在非淹沒(méi)條件下,中心體空化噴嘴射流繞過(guò)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(dāng)靶距在2～10 mm 時(shí),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(dāng)靶距達(dá)到14 mm時(shí),射流擴(kuò)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(méi)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(guò)對(duì)比淹沒(méi)空化噴嘴,中心體空化噴嘴射流集束性更好,達(dá)到一定靶距后,空化作用都減弱,實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)采用的中心體空化噴嘴最佳靶距范圍為2～14 mm。

4 結(jié)論

1)在相同泵壓條件下,中心體空化噴嘴和淹沒(méi)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(shí),中心體空化噴嘴的沖蝕能力比淹沒(méi)空化噴嘴強(qiáng),隨著壓力進(jìn)一步增大,淹沒(méi)空化噴嘴淹沒(méi)射流剪切作用加強(qiáng),空化作用明顯增強(qiáng),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(méi)空化噴嘴的沖蝕面相當(dāng),但中心體空化噴嘴射流沖蝕深度比淹沒(méi)空化噴嘴大,說(shuō)明在壓力較低的情況下,中心體空化噴嘴空化效果比淹沒(méi)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(méi)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(guò)對(duì)比淹沒(méi)空化噴嘴,中心體空化噴嘴射流集束性更好,達(dá)到一定靶距后,空化作用都減弱,實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)采用的中心體空化噴嘴最佳靶距范圍為2～14 mm。