李洋，王涵瑞，楊茂，劉紅松，蔣運華,3

1.中山大學 海洋工程與技術(shù)學院, 廣東 廣州 510725

2.中國兵器裝備集團有限公司 國營第一五二廠, 重慶 401120

3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室 (珠海), 廣東 珠海 519000

高壓水射流是通過噴嘴將得到的高壓流體約束成形狀各異的高速水流束[1?2]，其在航空航天、機械、化學工業(yè)、采礦和水利工程等諸多領域有著廣泛的應用[3?4]。根據(jù)工作環(huán)境介質(zhì)的不同，可以將水射流分為淹沒水射流和非淹沒水射流。淹沒水射流在水下工作面臨的主要問題是水的密度比空氣大很多，但水射流的直徑一般較小，水射流與環(huán)境中的水接觸后，由于水產(chǎn)生的阻力會損失很大一部分能量，導致水射流沖擊能力減弱、效率降低。本文提出通過主動通氣的方式使氣射流與水射流互相作用形成氣液兩相流，提高其工作效率。

Weiland等[5]對圓形噴嘴水射流進行了水下實驗，發(fā)現(xiàn)在水下水射流會出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象，此外Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定與Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定都對水下射流的運動有較大影響。Liu等[6]通過實驗與數(shù)值模擬的方法研究了淹沒高壓水射流的沖擊能力和流動特性，驗證了剪切效應對淹沒射流發(fā)生空化的影響，淹沒射流的沖擊能力受到空化與射流壓力的共同作用。Qian等[7]研究了水下水射流清除泥沙的特性，驗證了泥沙孔隙率對淹沒水射流沖刷深度的影響。Jiang等[8?10]采用主動通氣的方式在水下形成氣液兩相流，結(jié)果表明形成空泡能夠減小航行體在水下的阻力。靳成才等[11]對淹沒水射流沖擊天然氣水合物沉積物的過程進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明在水射流入射角度增大過程中，沖蝕體積先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定。

針對淹沒水射流目前存在的問題，本文提出通過主動通氣的方式使得水射流在離開噴嘴后的一段距離內(nèi)被空泡包裹，從而與環(huán)境中的液體相隔離。本文主要進行了水下氣液兩相流實驗，研究了兩相流的流動特性與影響因素，并對射流的兩相結(jié)構(gòu)進行了分析。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

圖1為水下氣液兩相流流場測量裝置示意。實驗裝置主要分為兩相流生成裝置、高速成像裝置、供水裝置、供氣裝置以及實驗水箱。

圖1 水下氣液兩相流流場測量裝置

實驗水箱由透明有機玻璃材質(zhì)制成，水箱長×寬×高為 2 m×1.2 m×0.6 m。兩相流生成裝置主要包括實驗模型、連接板和模型支撐結(jié)構(gòu)，模型支撐結(jié)構(gòu)平放在水箱底部，其中軸線方向與水箱側(cè)壁方向平行，實驗模型通過連接板連接在模型支撐結(jié)構(gòu)上。

供氣系統(tǒng)輸送的空氣由空氣壓縮機通過管路輸出，經(jīng)過壓力表、微調(diào)閥門以及氣體流量計進入實驗模型內(nèi)部，再由射流噴嘴進入實驗水箱?？諝鈮嚎s機的最大排氣壓力為0.8 MPa，通氣流量為 0~240 SLPM。

而實驗使用的高壓水射流則由柱塞泵通過管道送出，經(jīng)單向閥、壓力表、液體流量計以及相關(guān)管路進入水箱。柱塞泵的工作壓力為0~10 MPa。

實驗采用的高速相機型號為Photron Fastcam Mini AX200，分辨率為 1 024 像素×1 024 像素，拍攝速度為6 400 fps。為保證能拍攝到清晰的兩相流影像，在水箱正后方布置了12盞功率為100 W的LED燈，排列方式為3排4列。

1.2 實驗模型

實驗噴嘴模型是由鋁加工制成的圓柱組合體，其表面經(jīng)過拋光打磨處理，模型總體長度L0=72mm，最大直徑D0= 32mm。模型頭部段形狀為平頭，開設噴口直徑Dn為2 mm和3 mm，通氣環(huán)孔直徑Dg為 4 、5、6、7、8和 9 mm，其內(nèi)部設置多個通孔分別連接氣體管路與液體管路，如圖2所示。

圖2 實驗模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3 實驗方案

實驗在室溫室壓、水箱注水高度（水面高度到水箱底部的距離）h= 550 mm 的條件下進行。實驗過程中改變的參數(shù)主要為通氣流量(Q)、水射流壓力(Pn)、噴口直徑(Dn)和通氣環(huán)孔直徑(Dg)。通氣流量的變化為0~40 SLPM，水射流壓力為0~5 MPa。空泡長度的定義如圖3所示。

圖3 空泡長度定義

實驗中，標準情況下的噴氣系數(shù)定義為

式中：Q為 通氣流量，SLPM；Vn為水射流速度，m/s；Dn為噴口直徑，mm。

所有實驗結(jié)果均以無量綱的形式呈現(xiàn)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 通氣空泡運動演化過程

圖4是通氣流量Q=25SLPM、水射流壓力Pn=5MPa 、噴口直徑Dn=3mm、通氣環(huán)孔直徑Dg=7mm、每張圖片的時間間隔△t＝0.781 25 ms時通氣空泡演化過程。由于在淹沒狀態(tài)下氣體壓力存在脈動，導致通氣空泡的形態(tài)變化過程具有明顯的周期性。初始時刻，通入的氣體不足以將噴嘴出口附近的液體排開，此時形成的主要是破碎的小空泡，無法將水射流完全包裹。隨著時間的推移，通氣環(huán)孔噴出的氣體越來越多，開始形成能將水射流完全包裹的空泡，并沿著射流軸向與徑向同步擴張，空泡的最大長度與最大直徑也在不斷增大。在空泡沿軸向和徑向擴張到極限處后，空泡的最大形態(tài)能維持一定時間。但此后由于噴嘴出口處的氣體流量不斷減少，空泡在軸向和徑向上均開始收縮，直至無法完全包裹住水射流，最終發(fā)生潰滅。

圖4 通氣空泡運動演化過程(Q =25SLPM、 P n=5MPa、 D n=3mm、 D g=7mm、 ? t=0.78125ms)

在空泡發(fā)展的整個過程中，形成的通氣空泡雖然受到浮力的影響，但并未向上逸出，主要原因是通入的氣體流量相對較小，而此時水射流的速度較大，導致氣射流與水射流的速度差較大，氣射流受到水射流的作用不斷向前運動。此外，由于氣體壓力脈動的影響，每一個周期內(nèi)空泡形態(tài)都是膨脹與頸縮交替出現(xiàn)，空泡長度具有明顯的周期性，如圖4所示。圖5給出了噴流直徑Dn=2mm、通氣環(huán)孔直徑Dg=6mm、通氣流量Q=25SLPM時，3個周期內(nèi)最大空泡長度隨時間的變化關(guān)系?？梢钥闯?，最大空泡長度的隨時間的變化規(guī)律具有明顯的周期性，在每一個周期內(nèi)，最大空泡長度都是先增大后減小，在每個周期內(nèi)都會出現(xiàn)一個峰值。而通氣流量對空泡發(fā)展特性的影響主要體現(xiàn)在最大空泡長度、最大空泡體積以及空泡周期方面，通氣流量越大，每個周期中最大空泡長度的峰值越大、最大空泡體積越大、空泡周期越長。

圖5 空泡長度隨時間的變化關(guān)系

2.2 通氣流量的影響

為了探究通氣流量對通氣空泡的影響，圖6給出了不同噴口直徑、不同通氣環(huán)孔直徑時空泡長度隨通氣系數(shù)的變化關(guān)系。可以看出，在噴口直徑與通氣環(huán)孔直徑不變的情況下，通氣空泡長度均隨通氣系數(shù)的增大而增加，而且這種增長關(guān)系表現(xiàn)出一定的線性趨勢。但在相同噴口直徑、不同通氣環(huán)孔直徑的情況下，這種線性增長的斜率不同。如圖6所示，在通氣環(huán)孔直徑Dg=6mm時，斜率為9.0，但在通氣環(huán)孔直徑Dg=8mm時，斜率為13.6。值得注意的是，在小通氣系數(shù)下，由于通入的氣體流量較小，導致無法形成空泡包裹水射流，此時形成的多相流為液體與氣體互相混合的氣液兩相流，兩者之間未出現(xiàn)明顯的分層。只有當通氣系數(shù)達到一定值時，才能形成完全包裹水射流的空泡，出現(xiàn)數(shù)據(jù)點，如圖6所示。

圖6 空泡長度與通氣系數(shù)的變化關(guān)系

為了研究通氣流量對空泡運動狀態(tài)的影響，在圖7中給出了空泡周期隨通氣系數(shù)的變化關(guān)系。從圖7中可知，通氣空泡的發(fā)展過程可以分為空泡持續(xù)發(fā)展階段和間歇階段2個階段。2個階段交替出現(xiàn)，使通氣空泡的形態(tài)呈周期變化。在持續(xù)發(fā)展階段，通氣空泡的體積不斷增大，逐漸將水射流完全包裹，保持一定時間的穩(wěn)定后，體積逐漸減小，最終完全潰滅；在間歇階段，由于氣流壓力較小，無法形成包裹水射流的空泡，此時通入的氣體完全與水射流混合，形成不分層的氣液兩相流，如圖4所示。這個現(xiàn)象與Hutli[12]的描述相匹配。

圖7 空泡周期與通氣系數(shù)的變化關(guān)系(D n=2mm,Dg=6mm)

另外，隨著通氣系數(shù)的增大，空泡的持續(xù)期不斷增加，間歇期在逐漸減小，如圖7所示。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是氣射流傳遞給水射流以及環(huán)境中的液體的動量不同，同時與形成的最大空泡長度有關(guān)，形成的空泡長度越大，其衰減至潰滅所需要的時間就越多，導致間歇階段的持續(xù)時間被壓縮。

2.3 液體流量對通氣空泡的影響

液體流量對通氣空泡的影響主要表現(xiàn)在對空泡形態(tài)與運動狀態(tài)的改變。在射流流量較小時（圖8（a）），空泡整體形狀表現(xiàn)出明顯的不對稱。以水射流中心軸線為對稱軸，在空泡的擴張過程中，對稱線上方的空泡體積明顯要比對稱軸下方的空泡體積大得多，且上方空泡邊緣部分距噴嘴出口處的距離也較大。當射流流量較大時（圖8（b）），空泡整體形狀的不對稱性明顯減弱，空泡擴張過程中，軸線兩側(cè)的空泡形態(tài)基本保持對稱。

圖8 液體流量對空泡形態(tài)的影響

圖9給出了不同液體流量時最大空泡長度隨通氣系數(shù)以及通氣流量的變化關(guān)系?？梢钥闯?，液體流量會顯著影響到空泡長度隨通氣流量的變化速率，液體流量越小，空泡長度隨通氣流量的增長速率越大。

圖9 不同液體流量時空泡長度與通氣系數(shù)的變化關(guān)系(D n=3mm)

3 結(jié)論

本文對基于通氣空泡的氣液兩相射流進行了實驗研究，得出以下結(jié)論：

1）通氣空泡的運動演化過程具有明顯的周期性，空泡整體先擴張后收縮，具體表現(xiàn)為空泡長度與空泡體積先增大后減小，但達到最大形態(tài)后能維持一定時間。

2）空泡長度隨通氣系數(shù)的增大而增大，兩者之間呈線性關(guān)系。通氣環(huán)孔直徑越大，其增長斜率越大。

3）液體流量的改變會顯著影響通氣空泡的運動狀態(tài)與形態(tài)特征，在其他條件相同時，液體流量越小，空泡形態(tài)關(guān)于射流中軸線的不對稱程度越劇烈。此外，液體流量越大，空泡長度隨通氣系數(shù)的增長率越小。