湯積仁，汪 壘，盧義玉，凌遠(yuǎn)非，張洋凱，姚 奇，朱志丹

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；2.重慶大學(xué) 復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030)

水射流技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于礦山開(kāi)采、隧道掘進(jìn)等領(lǐng)域[1-2]。運(yùn)用水射流技術(shù)對(duì)硬巖進(jìn)行破碎一直是國(guó)內(nèi)外一項(xiàng)研究難題，有學(xué)者根據(jù)硬巖一般具有較高抗壓強(qiáng)度和相對(duì)較低抗剪及抗拉強(qiáng)度特征認(rèn)為脈沖射流在硬巖破碎方面最具有開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛力[3-5]。大量研究表明脈沖射流比連續(xù)射流具有更高的破碎效率[6-8]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同形式的脈沖射流及其射流特性展開(kāi)了大量研究。Pianthong等[9]開(kāi)發(fā)了一種超音速脈沖射流發(fā)生裝置，并使用陰影圖技術(shù)捕捉到經(jīng)典傘狀結(jié)構(gòu)及其變化過(guò)程。Dehkhoda等[10-11]提出了一種使用自由降落的重錘作為動(dòng)力源產(chǎn)生擠壓式脈沖射流的發(fā)生方法，利用高速攝像技術(shù)對(duì)其射流形態(tài)特征進(jìn)行了研究，并采用截?cái)嗍矫}沖射流進(jìn)行了沖擊大理石和花崗巖實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)脈沖頻率和脈沖射流持續(xù)時(shí)間是引起巖石破壞的關(guān)鍵參數(shù)。馬飛等[12]采用噴嘴腔內(nèi)壓力信號(hào)提取方法對(duì)自振射流頻率特性進(jìn)行了研究。司鵠等[13]建立了自激振蕩脈沖射流破碎巖石的數(shù)值計(jì)算模型，并模擬了脈沖射流破巖過(guò)程，發(fā)現(xiàn)隨著脈沖振幅的增大，破巖效率顯著提高，脈沖頻率存在最優(yōu)值。Li等[14]通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)研究了自激振蕩脈沖射流軸向壓力振蕩幅度以及振蕩頻率，得出自激振蕩脈沖射流壓力和能量具有周期波動(dòng)特性。Lu等[15-16]使用高速攝像技術(shù)對(duì)截?cái)嗍矫}沖射流結(jié)構(gòu)演變過(guò)程進(jìn)行捕捉，并進(jìn)行了破巖性能研究，發(fā)現(xiàn)射流頭部結(jié)構(gòu)具有偏轉(zhuǎn)特性，結(jié)構(gòu)形態(tài)決定作用于靶物上的有效應(yīng)力分布，影響破壞面形狀。Jiang等[17]通過(guò)模擬脈沖射流破巖過(guò)程，發(fā)現(xiàn)脈沖長(zhǎng)度一定時(shí)，脈沖頻率過(guò)高將會(huì)產(chǎn)生水墊效應(yīng)，破巖效率反而會(huì)下降。Polyakov等[18]通過(guò)截?cái)嗍矫}沖水射流切割巖石，發(fā)現(xiàn)脈沖水射流的破壞效率隨壓力升高而增大。上述學(xué)者提出了一些不同形式的脈沖射流發(fā)生方法。但這些脈沖射流發(fā)生方法存在的不足限制了它們的實(shí)際運(yùn)用和開(kāi)發(fā)潛力，如擠壓式脈沖射流不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)產(chǎn)生；截?cái)嗍矫}沖射流在截?cái)噙^(guò)程中會(huì)浪費(fèi)大量水資源和能量，比能耗高；激勵(lì)式脈沖射流產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)幅度較小，增壓倍率低。除此之外，上述學(xué)者對(duì)脈沖水射流的射流特性及破巖性能也進(jìn)行了一些深入的研究，研究發(fā)現(xiàn)高壓脈沖水射流流體具有高速湍動(dòng)的瞬變特性，脈沖射流能否有效破裂巖石，取決于脈沖頻率以及單個(gè)水脈沖施加的沖擊動(dòng)壓，而脈沖射流形態(tài)結(jié)構(gòu)和壓力大小決定沖擊動(dòng)壓大小，形態(tài)結(jié)構(gòu)演變過(guò)程又能反映射流頻率波動(dòng)情況，因此，準(zhǔn)確掌握脈沖水射流的射流特性，是研究破巖機(jī)理的必要前提。

為進(jìn)一步提高脈沖水射流的破巖效率，彌補(bǔ)以上脈沖射流發(fā)生方法的不足，筆者及其研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合液壓增壓原理和水射流技術(shù)，提出了一種增壓式脈沖水射流發(fā)生方法并研發(fā)了一種增壓式脈沖水射流發(fā)生裝置。本文通過(guò)高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)捕捉射流出口流場(chǎng)，并在射流發(fā)生裝置的進(jìn)油口、回油口、增壓腔布置壓力傳感器對(duì)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，旨在探明和揭示增壓式脈沖水射流在不同工作參數(shù)下射流形態(tài)結(jié)構(gòu)、射流壓力、脈沖頻率等射流特性的影響規(guī)律，為進(jìn)一步研究和應(yīng)用增壓式脈沖水射流奠定基礎(chǔ)，并進(jìn)一步為超高壓脈沖水射流發(fā)生裝置的研制提供重要的參考和指導(dǎo)。

1 增壓式脈沖射流形成原理

圖1為增壓式脈沖水射流發(fā)生裝置示意圖。圖中標(biāo)出了射流發(fā)生裝置主要結(jié)構(gòu)，此裝置利用擠壓活塞前后面積差形成增壓比，通過(guò)擠壓活塞往復(fù)擠壓就能持續(xù)產(chǎn)生高壓脈沖射流。

圖1 增壓式脈沖水射流發(fā)生裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of supercharged pulse water jet generating device

擠壓活塞工作原理：如圖1所示，此時(shí)為擠壓活塞沖程開(kāi)始。高壓傳動(dòng)介質(zhì)由進(jìn)口經(jīng)換向閥右側(cè)腔5進(jìn)入換向閥，經(jīng)缸體孔4進(jìn)入缸體后腔A，同時(shí)經(jīng)缸體孔1進(jìn)入缸體前腔B，由面積差產(chǎn)生壓力差推動(dòng)擠壓活塞右移進(jìn)行沖程加速。當(dāng)擠壓活塞向右運(yùn)動(dòng)，活塞中間的凹槽缺口正好將腔2和腔3連通，此時(shí)，腔2、3、8、9與出口相通，腔9一直處于低壓，而換向閥芯右側(cè)腔5、中間腔、左側(cè)腔6與入口相通，即通高壓，由于換向閥芯左側(cè)面積大于右側(cè)面積，在壓力差下閥芯向右移動(dòng)，閥芯瞬間切換缸體內(nèi)傳動(dòng)介質(zhì)的供、排路線(xiàn)。當(dāng)供、排路線(xiàn)改變后，高壓傳動(dòng)介質(zhì)由缸體孔1進(jìn)入缸體前腔B，換向閥芯右端的凹槽將缸體孔4和腔7連通，缸體孔4與腔2、3、7、8連通出口，即缸體后腔A連通出口為低壓，于是活塞開(kāi)始制動(dòng)，速度很快降為零，并轉(zhuǎn)為活塞回程加速，缸體后腔A中的流體由孔4經(jīng)腔7排出?；爻讨校?dāng)擠壓活塞右臺(tái)肩越過(guò)腔2時(shí)，高壓傳動(dòng)介質(zhì)由腔2進(jìn)入腔8，換向閥芯右側(cè)腔5與腔8皆為高壓，閥芯右側(cè)面積和腔8所在腔的承壓面積大于閥芯左側(cè)面積，推動(dòng)換向閥左移，改變缸體內(nèi)流體的供、排路線(xiàn)，即孔4與進(jìn)口相通，缸體后腔A進(jìn)高壓，擠壓活塞開(kāi)始制動(dòng)，速度很快降為零，并轉(zhuǎn)為沖程加速，此時(shí)擠壓活塞就完成一個(gè)工作循環(huán)。

增壓式脈沖水射流形成原理：當(dāng)擠壓活塞未進(jìn)行沖程擠壓時(shí)，由單向閥進(jìn)入的低壓水直接通過(guò)噴嘴形成低壓連續(xù)射流；當(dāng)活塞沖程時(shí)，單向閥瞬間關(guān)閉，腔體中的水瞬間被擠壓升壓，通過(guò)噴嘴將壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能后高速?lài)姵鲂纬筛邏好}沖射流；活塞回程時(shí)低壓水迅速通過(guò)單向閥向增壓腔中注水并通過(guò)噴嘴再次形成連續(xù)射流，此時(shí)完成一次脈沖循環(huán)。通過(guò)與換向閥運(yùn)動(dòng)耦合，擠壓活塞自動(dòng)進(jìn)行反復(fù)沖程、回程，沖程擠壓時(shí)產(chǎn)生高壓脈沖射流段，活塞沖程完成并回程時(shí)，產(chǎn)生連續(xù)射流段，它們彼此交互配合，周期性產(chǎn)生連續(xù)射流段和脈沖射流段。因此，增壓式脈沖水射流是由一段連續(xù)射流和一段脈沖射流彼此交互配合組成。

2 試 驗(yàn)

根據(jù)增壓式脈沖射流發(fā)生原理研發(fā)了增壓式脈沖射流發(fā)生裝置，以液壓油作為工作介質(zhì)，以純水作為射流介質(zhì)，并自主研發(fā)了增壓式脈沖水射流測(cè)試系統(tǒng)。為了研究產(chǎn)生的增壓式脈沖水射流的脈動(dòng)特性，開(kāi)展了不同工作參數(shù)下的射流試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)采用自主研發(fā)的增壓式脈沖水射流測(cè)試系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)主要由供水系統(tǒng)、液壓泵站、壓力監(jiān)測(cè)與采集系統(tǒng)、高速圖像采集系統(tǒng)、增壓式脈沖射流發(fā)生裝置組成。供水系統(tǒng)由水箱、高壓柱塞泵組、溢流閥、壓力流量控制系統(tǒng)組成，對(duì)增壓腔起到補(bǔ)水作用；液壓泵站由防爆電機(jī)、齒輪泵、油箱、溢流閥組成，為推動(dòng)擠壓活塞提供動(dòng)力源；壓力監(jiān)測(cè)與采集系統(tǒng)由3個(gè)精度0.1%的XBS100型號(hào)數(shù)值壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)組成，其中傳感器1量程為0～70 MPa測(cè)進(jìn)油壓力，壓力傳感器2量程為0～120 MPa測(cè)射流壓力，壓力傳感器3量程為0～40 MPa測(cè)回油壓力；高速圖像采集系統(tǒng)由美國(guó)PHANTOM V2012高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、LED光源、計(jì)算機(jī)組成。其中試驗(yàn)系統(tǒng)核心是增壓式脈沖水射流發(fā)生裝置。

圖2 增壓式脈沖水射流試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Supercharged pulse water jet tests system

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)采用Φ=0.5 mm寶石噴嘴，工作參數(shù)包括進(jìn)油壓力P油、增壓腔初始?jí)毫0。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Tests parameter settings

2.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)之前按照?qǐng)D2連接試驗(yàn)系統(tǒng)，壓力傳感器連接之前在大氣壓條件下調(diào)零，接著打開(kāi)供水系統(tǒng)調(diào)節(jié)進(jìn)水壓力即增壓腔初始?jí)毫0向增壓腔注水，然后開(kāi)啟液壓泵站調(diào)節(jié)進(jìn)油壓力P油使增壓式脈沖射流發(fā)生裝置工作，工作參數(shù)調(diào)節(jié)按照表1進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)搭配24-85標(biāo)準(zhǔn)變焦尼康鏡頭正對(duì)射流拍攝，側(cè)面布置LED燈照明。為保證捕捉足夠的射流范圍，通過(guò)調(diào)整相機(jī)位置和焦距調(diào)節(jié)拍攝區(qū)域，用鋼尺對(duì)拍攝區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定，為了方便統(tǒng)一后處理，只保留射流區(qū)域附近的圖像，保留的射流區(qū)域?qū)嶋H尺寸為190 mm×35 mm。為了能夠清晰獲得射流形態(tài)細(xì)微的變化過(guò)程，設(shè)置相機(jī)拍攝速度為22 000 幀/秒，即連續(xù)兩張照片間隔時(shí)間為45.45 μs，曝光時(shí)間為44 μs。待工作參數(shù)達(dá)到設(shè)定值及增壓式脈沖射流穩(wěn)定產(chǎn)生后再迅速通過(guò)計(jì)算機(jī)控制壓力采集系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)采集信息。

3 結(jié)果與討論

3.1 射流壓力脈動(dòng)特性分析

研究表明射流壓力對(duì)破巖能力有重要影響，射流壓力越大，破壞效果越明顯[18]，增壓后的脈沖射流是破巖的主體，因此掌握增壓式脈沖水射流的壓力變化規(guī)律能為后續(xù)破巖試驗(yàn)提供必要的條件。圖3、圖4為增壓腔壓力傳感器采集的壓力變化曲線(xiàn)，其中圖3為增壓腔初始?jí)毫0為0.2 MPa時(shí)，不同進(jìn)油壓力P油條件下壓力變化曲線(xiàn)；圖4為進(jìn)油壓力P油為12 MPa時(shí)，不同增壓腔初始?jí)毫0條件下壓力變化曲線(xiàn)。

基于目前廣泛存在的難以監(jiān)測(cè)分析轉(zhuǎn)子在升速或降速過(guò)程中信號(hào)的問(wèn)題，這里通過(guò)同時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子軸向位移信號(hào)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下通過(guò)對(duì)比分析轉(zhuǎn)子徑向信號(hào)來(lái)證明轉(zhuǎn)子軸向信號(hào)對(duì)于監(jiān)測(cè)診斷轉(zhuǎn)子軸裂紋故障的有效性。

圖3 不同進(jìn)油壓力下射流壓力變化規(guī)律Fig.3 Variation of jet pressure under different inlet pressures

圖4 不同增壓腔初始?jí)毫ο律淞鲏毫ψ兓?guī)律Fig.4 Variation of jet pressure under different initial pressure in the plenum chamber

從圖3中可以看出，射流壓力大小隨時(shí)間呈脈動(dòng)性變化，單個(gè)周期內(nèi)壓力變化具有穩(wěn)定壓力和沖擊壓力相結(jié)合的特點(diǎn)，壓力脈動(dòng)幅度大，具有明顯的增壓效果。壓力曲線(xiàn)變化反映了擠壓活塞運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，同時(shí)也驗(yàn)證了增壓式脈沖射流發(fā)生方法的可行性。根據(jù)增壓式脈沖水射流形成原理，增壓式脈沖水射流是由一段連續(xù)射流和一段脈沖射流彼此交互配合組成。圖中壓力曲線(xiàn)的升高、穩(wěn)定和下降分別對(duì)應(yīng)擠壓活塞沖程階段的加速、勻速和減速三種狀態(tài)，此階段對(duì)應(yīng)脈沖射流段；穩(wěn)定的低壓段反映擠壓活塞回程階段對(duì)應(yīng)連續(xù)射流段。連續(xù)射流段的壓力值較低且穩(wěn)定與增壓腔初始?jí)毫0大小一致由供水壓力控制；隨著進(jìn)油壓力P油升高，脈沖射流段的壓力波動(dòng)更為明顯，由一個(gè)較大壓力波峰變?yōu)閮蓚€(gè)較大壓力波峰，由于活塞增壓比一定，脈沖射流段峰值壓力隨著進(jìn)油壓力P油升高而增大，而連續(xù)射流段壓力不變，兩者之間壓力差即壓力脈動(dòng)幅度也隨之增大，脈動(dòng)強(qiáng)度越明顯。因此，在設(shè)備能承受超高壓力情況下，只需要升高進(jìn)油壓力P油就能實(shí)現(xiàn)將低壓水變?yōu)槌邏好}沖射流。

圖4中連續(xù)射流段的壓力隨增壓腔初始?jí)毫0升高而升高，壓力值與增壓腔初始?jí)毫Υ笮”３忠恢?，但增壓腔初始?jí)毫ψ兓⒉粫?huì)對(duì)脈沖射流段的峰值壓力產(chǎn)生影響。由于擠壓活塞對(duì)增壓腔內(nèi)的水體開(kāi)始擠壓時(shí)，進(jìn)水處的單向閥就會(huì)迅速關(guān)閉，此時(shí)只由進(jìn)油壓力P油推動(dòng)擠壓活塞進(jìn)行增壓，進(jìn)油壓力P油大小不變，射流峰值壓力大小也不會(huì)變化，可見(jiàn)脈沖射流段的壓力大小與P0無(wú)關(guān)。此外，隨著增壓腔初始?jí)毫0升高壓力脈動(dòng)幅度會(huì)逐漸減小，因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)P0來(lái)調(diào)制具有不同壓力脈動(dòng)幅度的脈沖水射流。

3.2 脈沖頻率特性分析

增壓式脈沖水射流是由連續(xù)射流段和脈沖射流段連續(xù)交互配合形成，一個(gè)脈沖周期由這兩段射流持續(xù)時(shí)間共同決定，周期持續(xù)時(shí)間越短，脈沖頻率越高。根據(jù)壓力傳感器采集的結(jié)果可以得到進(jìn)油壓力、增壓腔初始?jí)毫εc脈沖頻率的關(guān)系。

圖5為控制增壓腔初始?jí)毫0為0.2 MPa不變，不同進(jìn)油壓力P油對(duì)脈沖頻率與射流持續(xù)時(shí)間的影響規(guī)律。由圖5可知，脈沖射流段和連續(xù)射流段持續(xù)時(shí)間都與進(jìn)油壓力P油變化呈冪函數(shù)關(guān)系且隨著P油增加而降低，但降低趨勢(shì)逐漸變小；脈沖頻率與進(jìn)油壓力P油變化也呈冪函數(shù)關(guān)系且隨P油增加而增加，進(jìn)油壓力P油從4 MPa升到12 MPa，頻率增加約1.1 Hz。進(jìn)油壓力P油升高施加給擠壓活塞的推力也相應(yīng)變大，活塞沖程和回程速度加快，往返周期相應(yīng)縮短，從而脈沖頻率加快，因此可以直接通過(guò)改變進(jìn)油壓力P油來(lái)調(diào)節(jié)所需脈沖頻率。

圖5 脈沖頻率與射流持續(xù)時(shí)間隨進(jìn)油壓力變化規(guī)律Fig.5 Variation of pulse frequency and jet duration with oil intake pressure

圖6為保持進(jìn)油壓力P油為12 MPa不變，不同增壓腔初始?jí)毫0對(duì)脈沖頻率與射流持續(xù)時(shí)間的影響規(guī)律。從圖中可以看出，脈沖射流段持續(xù)時(shí)間隨增壓腔初始?jí)毫0增大呈先減小后穩(wěn)定的特點(diǎn)，是由于增壓腔初始?jí)毫υ龃蠖M(jìn)油壓力值一定，即增壓腔內(nèi)最終所達(dá)到的峰值壓力一定，活塞將增壓腔內(nèi)的水增壓至壓力峰值所需時(shí)間縮短。連續(xù)射流段持續(xù)時(shí)間隨增壓腔初始?jí)毫0升高也呈先減小后穩(wěn)定的特點(diǎn)，其原因是P0升高助推了活塞回程，提高回程速度，射流持續(xù)時(shí)間縮短，而由于回油流量限制會(huì)在圖1中的缸體后腔中產(chǎn)生回油背壓，限制了水壓產(chǎn)生的回推助力，阻礙連續(xù)射流段持續(xù)時(shí)間進(jìn)一步縮短。由于連續(xù)射流段和脈沖射流段持續(xù)時(shí)間隨增壓腔初始?jí)毫0變化特點(diǎn)，脈沖頻率隨增壓腔初始?jí)毫0增大呈先增大后穩(wěn)定的特點(diǎn)，當(dāng)增壓腔初始?jí)毫0<8 MPa時(shí)，脈沖頻率隨P0增大而增大，當(dāng)增壓腔初始?jí)毫0≥8 MPa時(shí)，不再變化，增壓腔初始?jí)毫0從0.2 MPa升到12 MPa，頻率增加約0.4 Hz。

圖6 脈沖頻率與射流持續(xù)時(shí)間隨增壓腔初始?jí)毫ψ兓?guī)律Fig.6 Variation of pulse frequency and jet duration with initial pressure of the booster cavity

3.3 射流形態(tài)動(dòng)態(tài)演變分析

對(duì)不同工作參數(shù)下增壓式脈沖水射流的射流形態(tài)進(jìn)行拍攝。圖7為控制增壓腔初始?jí)毫0為0.2 MPa不變，不同進(jìn)油壓力P油脈沖射流形態(tài)變化情況；圖8為保持進(jìn)油壓力P油為12 MPa不變，改變?cè)鰤呵怀跏級(jí)毫0脈沖射流形態(tài)發(fā)展演變情況。

從圖7、圖8中可以明顯看出，增壓式脈沖水射流的射流形態(tài)大致都經(jīng)歷過(guò)相同演化過(guò)程，結(jié)合上文中其壓力變化特點(diǎn)，增壓式脈沖水射流是一種由低壓連續(xù)射流段和高壓脈沖射流段相互銜接而成的組合射流，其形態(tài)演變過(guò)程受擠壓活塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響可分為四個(gè)階段：連續(xù)射流階段、脈沖射流產(chǎn)生與發(fā)展階段、脈沖射流穩(wěn)定階段、脈沖射流消散階段。射流在0 s時(shí)刻即沖擊活塞未沖程運(yùn)動(dòng)之前，屬于連續(xù)射流，此時(shí)增壓腔內(nèi)壓力由進(jìn)水壓力決定，由于壓力低，射流保持緊密狀態(tài)呈細(xì)線(xiàn)狀。在0.1 s時(shí)刻，沖擊活塞瞬間擠壓水體，形成高速射流噴射而出，脈沖射流產(chǎn)生，隨后活塞加速，射流主體外邊界開(kāi)始產(chǎn)生由空氣與水蒸氣組成的環(huán)狀霧化流，射流邊界錐角度明顯增大，射流形態(tài)由細(xì)線(xiàn)狀變?yōu)槿?.15 s時(shí)刻所示的圓錐狀。此后一段時(shí)間內(nèi)由于增壓腔內(nèi)壓力作用，擠壓活塞處于一個(gè)相對(duì)受力平衡狀態(tài)，擠壓速度相對(duì)穩(wěn)定，射流形態(tài)保持圓錐狀將不再變化，射流形態(tài)基本穩(wěn)定。此后，由第1節(jié)知當(dāng)沖擊活塞到達(dá)一定位置后開(kāi)始減速，準(zhǔn)備回程，此后射流邊界錐角度明顯減小，脈沖射流開(kāi)始消散，最后射流重新變成細(xì)線(xiàn)狀，由此形成了增壓式脈沖射流的周期性變化。

圖7 不同進(jìn)油壓力射流形態(tài)發(fā)展變化部分圖片F(xiàn)ig.7 Pictures about changes in the morphology of different oil pressure jets

圖8 不同增壓腔初始?jí)毫ι淞餍螒B(tài)發(fā)展變化部分圖片F(xiàn)ig.8 Pictures about changes in the shape of the initial pressure jets of different pressurized cavities

對(duì)增壓腔初始?jí)毫^低情況下出現(xiàn)“傘狀結(jié)構(gòu)”原因進(jìn)行分析，圖9為P油=12 MPa，P0=0.2 MPa條件下“傘狀結(jié)構(gòu)”發(fā)展過(guò)程。從圖9中可以看出，在開(kāi)始時(shí)射流上游出現(xiàn)一個(gè)小核心段A，前端面呈弓形，演變到500 μs時(shí)逐漸發(fā)展成一個(gè)暈輪且中間重新出現(xiàn)一個(gè)新核心段，隨后新核心段沖出暈輪繼續(xù)前進(jìn)，而暈輪外輪廓逐漸脫離散化。在1 500 μs后，核心段的前端弓形面由凸變凹，在2 000 μs處形成U型結(jié)構(gòu)A1，此后U型結(jié)構(gòu)繼續(xù)前進(jìn)完全覆蓋下游?！皞銧罱Y(jié)構(gòu)”經(jīng)過(guò)2 000 μs移動(dòng)113 mm，而圖中B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B1，經(jīng)過(guò)2 000 μs移動(dòng)34 mm，即射流上游速度遠(yuǎn)大于下游速度?？梢酝瞥觥皞銧罱Y(jié)構(gòu)”產(chǎn)生原因是由于脈沖射流產(chǎn)生瞬間速度快，追上下游的低速連續(xù)射流并發(fā)生碰撞，逐漸驅(qū)替低速射流，碰撞區(qū)就是所述核心段。隨著碰撞進(jìn)行，核心段前端的動(dòng)能不斷損失，前端弓形面被下游低速射流反沖擊為凹形，最后形成U形射流。當(dāng)增壓腔初始?jí)毫0增大后，產(chǎn)生的連續(xù)射流速度加快，射流驅(qū)替現(xiàn)象不明顯，因此不再產(chǎn)生“傘狀結(jié)構(gòu)”。

圖9 “傘狀結(jié)構(gòu)”演變過(guò)程Fig.9 Evolution of “Umbrella structure”

3.4 射流結(jié)構(gòu)多級(jí)脈動(dòng)特征

低壓連續(xù)射流段和高壓脈沖射流段快速交替沖擊為主要脈動(dòng)特征。當(dāng)射流處于脈沖射流階段時(shí)，由于增壓腔橫截面與噴嘴入口界面是非連續(xù)性收縮，擠壓活塞在擠壓過(guò)程中不斷發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生的激波會(huì)在增壓腔內(nèi)引起振蕩[20]，使通過(guò)噴嘴出口的流量不斷變化，導(dǎo)致射流具有次級(jí)脈動(dòng)特征。在徑向上，增壓腔內(nèi)的振蕩使射流主體區(qū)域呈周期性變化，通過(guò)射流邊界錐角度變化反映射流徑向上的波動(dòng)情況，圖10為射流結(jié)構(gòu)徑向變化高速攝影；同時(shí)在軸向上，流量瞬間增大會(huì)在噴嘴出口形成高速的弓形沖擊波面，沖擊波面?zhèn)鬟f使射流以波浪形式傳播，如圖11所示，波浪頭部直徑大，身部直徑小，在波浪頭部與身部相接的頸部由于脈沖主射流流速極大與身部射流邊界低速帶形成速度差，發(fā)生剪切作用，更易對(duì)空氣卷吸形成剪切漩渦。當(dāng)脈沖射流的邊界錐角度不斷變化且以波浪形式撞擊到靶物上，作用的面積大小相互交變，能更好的利用水錘壓力，有效地削弱水墊效應(yīng)。

圖10 脈沖射流徑向結(jié)構(gòu)脈動(dòng)變化高速攝影Fig.10 Pulse jet radial structure pulsation change high-speed photography

圖11 脈沖射流軸向波動(dòng)傳播示意圖Fig.11 Schematic diagram of axial wave propagation of pulse jet

通過(guò)主體射流邊界錐角變化對(duì)增壓式脈沖水射流多級(jí)脈動(dòng)特性進(jìn)行定量分析。圖12為單個(gè)脈沖循環(huán)內(nèi)部分射流邊界錐角在不同工作參數(shù)下隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。

圖12中明顯可以看出：不同工作參數(shù)下邊界錐角總體變化趨勢(shì)具有相似性，都與射流壓力變化走勢(shì)基本保持一致。低壓連續(xù)射流段和高壓脈沖射流段交替時(shí)，邊界錐角發(fā)生階躍變化為主要脈動(dòng)特征，脈沖射流段中邊界錐角隨時(shí)間波動(dòng)變化具有次級(jí)脈動(dòng)特征，由于壓力傳感器精度限制，采集的壓力曲線(xiàn)波動(dòng)并不明顯。除此之外，增壓腔初始?jí)毫0不變?nèi)鐖D12(a)～圖12(c)，邊界錐角隨著進(jìn)油壓力P油升高而增加，且隨著P油升高波動(dòng)振幅越大，這是因?yàn)镻油增大，射流壓力隨之增大，同時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)也越明顯，引起增壓腔內(nèi)發(fā)生更強(qiáng)烈的振蕩，邊界錐角波動(dòng)振幅越大。保持進(jìn)油壓力P油不變?nèi)鐖D12(c)～圖12(f)，當(dāng)P0=0.2 MPa時(shí)，邊界錐角峰值最大，當(dāng)P0≥4 MPa時(shí)與P0=0.2 MPa相比，增壓腔內(nèi)初始?jí)毫υ龃?，?duì)活塞起到緩沖作用，邊界錐角峰值有所降低。同時(shí)，增大增壓腔初始?jí)毫γ}沖射流段的邊界錐角波動(dòng)變得紊亂，說(shuō)明增壓腔初始?jí)毫0增大會(huì)對(duì)增壓腔內(nèi)部的流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，加劇射流紊亂程度，影響射流結(jié)構(gòu)。

圖12 工作參數(shù)對(duì)主體射流邊界錐角的影響Fig.12 The influence of working parameters of the main jet boundary cone angle

4 結(jié) 論

(1)增壓式脈沖水射流是一種由低壓連續(xù)射流段和高壓脈沖射流段相互銜接而成的組合射流，其射流壓力大小隨時(shí)間呈脈動(dòng)性變化，壓力脈動(dòng)幅度可調(diào)；脈沖射流段峰值壓力隨進(jìn)油壓力升高而增大；增壓腔初始?jí)毫χ挥绊戇B續(xù)射流段壓力，不影響脈沖段壓力。

(2)脈沖頻率與進(jìn)油壓力呈冪函數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系；脈沖頻率隨增壓腔初始?jí)毫υ龃蟪尸F(xiàn)先增大后平穩(wěn)特點(diǎn)，增壓腔初始?jí)毫?duì)脈沖頻率影響有限。

(3)增壓式脈沖水射流的射流形態(tài)周期演變過(guò)程可分為四個(gè)階段：連續(xù)射流階段、脈沖射流產(chǎn)生與發(fā)展階段、脈沖射流穩(wěn)定階段、脈沖射流消散階段，在增壓腔初始?jí)毫^低情況下，脈沖射流產(chǎn)生瞬間由于高速射流驅(qū)替低速射流會(huì)出現(xiàn)“傘狀結(jié)構(gòu)”。

(4)增壓式脈沖水射流的射流結(jié)構(gòu)具有多級(jí)脈動(dòng)特征。表現(xiàn)為：低壓連續(xù)射流段和高壓脈沖射流段交替沖擊為主級(jí)脈動(dòng)；在脈沖射流段中，射流在徑向上射流邊界錐角度呈周期性變化，在軸向上射流以波浪形式傳播，它們相互作用形成次級(jí)脈動(dòng)。