燕青

串聯(lián)型異形結(jié)構(gòu)噴嘴沖擊特性的實(shí)驗(yàn)研究

燕青

（聊城大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 聊城 252000）

針對(duì)普通噴嘴噴射效能不高的問題，比較不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下噴嘴產(chǎn)生自振脈沖射流效應(yīng)的能力。基于噴嘴不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和產(chǎn)生脈沖射流效應(yīng)之間的關(guān)系，構(gòu)建自振脈沖裝置的物理模型，并對(duì)噴射能效進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)條件為：以靶盤為沖擊對(duì)象，定量分析當(dāng)量結(jié)構(gòu)一致的球面、錐面和平面形沖擊壁結(jié)構(gòu)噴嘴的沖擊壓力，即腔長(zhǎng)和靶距為自變量，射流沖擊壓力為因變量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：諧振腔長(zhǎng)度對(duì)噴射效能的影響較大，錐面體沖擊壁噴嘴隨沖擊能力最優(yōu)，沖擊效果好，平面體比球面體稍??；超過最佳腔長(zhǎng)后，平面體噴嘴沖擊壓力增長(zhǎng)速率明顯降低。錐面體沖擊壁噴嘴在其他自變量相同的條件下，其振腔內(nèi)錐度為120°時(shí)的自激振蕩脈沖效果最佳。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了理論分析，這對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有重要指導(dǎo)意義。

脈沖射流；噴嘴；腔長(zhǎng)；靶距；沖擊壓力

脈沖射流是指流體以非連續(xù)的方式由噴嘴高速射出。這種射流由于速度較快，并且攜帶大量能量，可以不斷地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行錘擊，直至將靶件破碎或切開。自振脈沖射流與連續(xù)射流相比具有很大的不同，脈沖射流噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，安裝運(yùn)輸方便，多用于堅(jiān)硬靶件的破碎或侵蝕，主要應(yīng)用在油氣開采和礦石開發(fā)等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)自振脈沖技術(shù)進(jìn)行了大量研究。

國(guó)外研究者A F Conn和V E Johnson最先提到脈沖射流[1]，隨即利用噴嘴自身結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生自激振蕩形成脈沖射流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。Brookhe Summers等[2-4]通過在普通脈沖水射流噴嘴中增加特定裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)械阻隔連續(xù)射流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以及利用外界裝置改變連續(xù)射流，但能量消耗大，容易磨損，應(yīng)用具有局限性。B. Nebeker等[5]研究設(shè)計(jì)了一款利用外界激勵(lì)產(chǎn)生脈沖射流發(fā)生震動(dòng)的裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易產(chǎn)生流體空化破壞，體積較大，使用、運(yùn)輸很不方便，因此無法推廣使用。Chahine提出一種新型脈沖射流發(fā)生器[6]，該裝置利用亥母霍茲自振室產(chǎn)生自激振蕩，認(rèn)為流體自身具有一定的脈動(dòng)特性，當(dāng)流體流經(jīng)亥母霍茲自振室，與振蕩腔固有頻率接近時(shí)產(chǎn)生共振，進(jìn)而形成脈沖射流。Conn等[1]受到水聲學(xué)理論啟發(fā)，利用聲音和振蕩腔自振產(chǎn)生空化射流，相比之前脈沖射流效果，此裝置的射流沖蝕能力大大提高，與普通水射流噴嘴相比，產(chǎn)生空化的距離大幅度提高，且空化作用強(qiáng)烈，因此脈沖射流的沖蝕效果顯著提高。

國(guó)內(nèi)的廖振方等[7]利用邊界層渦流理論，通過噴嘴特定結(jié)構(gòu)參數(shù)使流體發(fā)生自激振蕩，進(jìn)而噴嘴出口處產(chǎn)生脈沖射流。李曉紅等[8]將自激振蕩脈沖射流噴嘴引入到煤礦產(chǎn)業(yè)中，有效降低了瓦斯帶來的危害，并對(duì)自激振蕩脈沖射流頻率特性進(jìn)行了深入研究，得出噴修結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響噴射效能的主要因素。李根生等[9]將自激振蕩脈沖射流應(yīng)用在了石油開采領(lǐng)域，大大提高了石油開采的效率。唐川林等[10]結(jié)合水聲學(xué)研究建立了自激振蕩脈沖射流頻率模型，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)影響射流沖擊能力的主要因素有泵壓和射流輻值，這兩種參數(shù)的改變會(huì)對(duì)射流頻率特性產(chǎn)生大幅度的影響，隨后又提出了在射流中加入空氣，形成氣液混合流體，實(shí)驗(yàn)證實(shí)氣液混合流體在提高沖擊能力方面起到非常大的作用。

串聯(lián)型脈沖射流噴嘴沖擊壁結(jié)構(gòu)直接影響噴嘴出口射流的沖擊壓力和噴速，進(jìn)而決定了射流的沖蝕和破碎效率。目前針對(duì)射流噴嘴的研究多集中于運(yùn)行參數(shù)和下噴嘴形狀，鮮有針對(duì)噴嘴沖擊壁結(jié)構(gòu)與沖擊壓力之間關(guān)系的研究。本文建立了不同形狀沖擊壁結(jié)構(gòu)下，沖擊時(shí)長(zhǎng)、靶距以及腔長(zhǎng)對(duì)沖擊壓力的大小和幅值的影響規(guī)律。

1 噴嘴的物理模型

串聯(lián)型自激振蕩脈沖射流噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由上噴嘴、中噴嘴和下噴嘴組成?？梢钥闯?，上噴嘴和中噴嘴之間可形成一個(gè)圓柱形的諧振腔，該諧振腔位于上噴嘴的末端，其長(zhǎng)度可沿著軸線方向發(fā)生變化，即腔長(zhǎng)可調(diào)。中噴嘴和下噴嘴之間形成的沖擊壁腔室形狀可以利用不同的下噴嘴進(jìn)行改變。實(shí)驗(yàn)過程中，來流首先從上噴嘴進(jìn)入，經(jīng)過一個(gè)錐形腔結(jié)構(gòu)射入諧振腔，此時(shí)諧振腔中的流體在特定層會(huì)產(chǎn)生大量的渦旋和空化氣泡，這些渦旋和氣泡隨著射流自身的脈動(dòng)不斷增強(qiáng)壯大，當(dāng)攜帶大量漩渦的脈動(dòng)流體流經(jīng)中噴嘴進(jìn)入下噴嘴時(shí)與下噴嘴的內(nèi)壁發(fā)生碰撞，此時(shí)沖擊產(chǎn)生的反饋射流不斷和來流發(fā)生相互作用，使得射流的脈動(dòng)性不斷強(qiáng)化。當(dāng)沖擊壁形狀不同時(shí)，這種碰撞產(chǎn)生的結(jié)果也不同。

沖擊壁的形狀主要有三種，如圖2所示。

圖1 串聯(lián)型脈沖射流噴嘴結(jié)構(gòu)

圖2 噴嘴沖擊壁結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)過程中，高壓射流會(huì)持續(xù)撞擊沖擊壁的表面，因此沖擊壁的表面硬度要足夠大。隨著沖擊壁在實(shí)驗(yàn)過程中的不斷磨損，射流的振蕩效果急劇下降，沖蝕性能降低。為解決下噴嘴沖擊壁的磨損問題，實(shí)驗(yàn)中下噴嘴材料選擇常用的45號(hào)鋼材，并且利用淬火等工藝進(jìn)行熱處理，以增加下噴嘴的內(nèi)表面硬度和耐磨性。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，首先水泵將位于水箱中的流體經(jīng)過過濾器輸送至增壓泵中，增壓泵下端連接壓力表和溢流閥，目的是防止增壓泵中壓力過高發(fā)生危險(xiǎn)。經(jīng)增壓泵增壓后的高壓流體進(jìn)入噴嘴，在噴嘴內(nèi)流體發(fā)生一系列變化，經(jīng)過噴嘴放大效應(yīng)后變?yōu)槊}沖射流，經(jīng)過下噴嘴高速射出進(jìn)而沖擊靶盤中的壓力傳感器。將噴嘴安裝在可以前后移動(dòng)的試驗(yàn)臺(tái)上，以便調(diào)節(jié)噴嘴末端至目標(biāo)的距離，達(dá)到噴嘴靶距可調(diào)節(jié)的目的。高速脈沖射流經(jīng)過目標(biāo)靶盤上的細(xì)小孔洞（0.3 mm）直接打擊壓力傳感器，壓力傳感器將動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至SD150測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)而得到射流動(dòng)態(tài)特性信號(hào)，再經(jīng)過分析處理得到?jīng)_擊壓力波形曲線。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)圖

2.2 壓力傳感器標(biāo)定

壓力傳感器工作原理圖如圖4所示。

圖4 壓力傳感器工作原理圖

實(shí)驗(yàn)過程中，壓力傳感器將信號(hào)傳輸至SD150動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)分析后可讀出噴嘴射流中心壓力在不同脈沖信號(hào)下的變化規(guī)律。其中利用壓力傳感器的壓電效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)動(dòng)能大且脈動(dòng)效應(yīng)強(qiáng)的射流由下噴嘴射出后，調(diào)節(jié)射流的軸心使得射流中心正好穿過測(cè)試靶盤上的圓形小孔，并不斷打擊圓形小孔后方連接的壓力傳感器，這個(gè)過程中要保證射流的軸線垂直于靶盤平面。受到?jīng)_擊的傳感器產(chǎn)生大量自由電荷，經(jīng)過變換電路放大和變換轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電壓，測(cè)量電壓的大小和傳感器受到的沖擊力成正比，再利用計(jì)算機(jī)對(duì)得到的電壓進(jìn)行運(yùn)算，即可獲得串聯(lián)型脈沖射流噴嘴的出口速度和沖擊壓力。

為保證實(shí)驗(yàn)中噴嘴射流軸心壓力的準(zhǔn)確性，對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。在壓力信號(hào)和電信號(hào)之間建立一個(gè)穩(wěn)定的聯(lián)系，通過電信號(hào)直接反應(yīng)壓力信號(hào)的大小。在標(biāo)定過程中選用標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)，使得活塞式壓力計(jì)的值按照設(shè)定值變化，記錄下傳感器壓力和測(cè)試系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果，此時(shí)測(cè)試表時(shí)域圖上出現(xiàn)不同偏移量的直線，利用一元線性回歸處理后，得到標(biāo)定結(jié)果，如圖5所示。根據(jù)圖表得到壓力傳感器的電信號(hào)和壓力信號(hào)之間的線性關(guān)系，其表達(dá)式為：

＝14.96352－12.86842 （1）

圖5 壓力傳感器標(biāo)定曲線

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過程中，噴嘴選擇非淹沒條件下運(yùn)行，串聯(lián)型脈沖水射流噴嘴按照一定的壓力和運(yùn)行參數(shù)工作。泵的額定壓力為45 MPa，對(duì)應(yīng)流量6 m3/h；上噴嘴錐度為13°；上噴嘴、中噴嘴和下噴嘴的直徑分別取2 mm、2.4 mm和3 mm；諧振腔徑40 mm。通過改變腔長(zhǎng)，研究不同工況下自激振蕩的效果；噴嘴入口壓力可通過壓力表調(diào)節(jié)；采用SD150測(cè)試系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡收集數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行圖形繪制并分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 腔長(zhǎng)對(duì)射流沖擊壓力的影響

在泵壓為10 MPa、靶距為10 mm、沖蝕時(shí)間為20 s的條件下，不同沖擊壁結(jié)構(gòu)脈沖噴嘴射流沖擊壓力隨腔長(zhǎng)的變化規(guī)律如圖6所示?？梢钥闯觯诒脡汉桶芯嘁欢ǖ臈l件下，噴嘴沖擊壓力隨腔長(zhǎng)的變化出現(xiàn)上下波動(dòng)的趨勢(shì)，且存在一個(gè)沖擊壓力脈動(dòng)峰值max與腔長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，超出這個(gè)特定的腔長(zhǎng)范圍，其值變小。這說明不同沖擊壁結(jié)構(gòu)的串聯(lián)型脈沖射流噴嘴均存在最佳腔長(zhǎng)，使得脈沖射流噴嘴的沖擊壓力達(dá)到最大。出現(xiàn)上述規(guī)律的原因是當(dāng)腔長(zhǎng)過小時(shí)，流經(jīng)上噴嘴的射流在快速通過諧振腔時(shí)不能發(fā)生有效諧振，產(chǎn)生的脈沖效應(yīng)較弱，進(jìn)而對(duì)射流沖擊壓力造成影響。當(dāng)腔長(zhǎng)過大時(shí)，沖擊射流腔內(nèi)的沿程壓力損失較大，射流流動(dòng)過程中干擾頻率成分增加，進(jìn)而降低射流有效脈沖波動(dòng)。

（a）脈動(dòng)峰值

（b）壓力振幅

圖6 噴嘴沖擊壓力隨腔長(zhǎng)的變化規(guī)律

振蕩頻率較高時(shí)，下噴嘴的脈沖效果更明顯，當(dāng)腔長(zhǎng)進(jìn)一步加大，噴嘴的結(jié)構(gòu)頻率降低，諧振由高頻轉(zhuǎn)向低頻，使得噴嘴脈沖能量降低，因此噴嘴諧振腔的腔長(zhǎng)是影響射流沖擊壓力大小的主要因素之一。在相同條件下，三種不同沖擊壁結(jié)構(gòu)串聯(lián)型脈沖噴嘴的最佳沖擊壓力脈動(dòng)峰值和振幅各不相同，其中錐面體沖擊壁結(jié)構(gòu)的射流噴嘴最佳沖擊壓力峰值和振幅均高于平面體和球面噴嘴?？芍嗤r下，當(dāng)噴嘴沖擊壁錐度取值120°時(shí)為最優(yōu)，具有最佳的自激振蕩脈沖效果。

3.2 靶距對(duì)射流沖擊壓力的影響

在泵壓為10 MPa、腔長(zhǎng)為6 mm、沖蝕時(shí)間為20 s的條件下，不同沖擊壁結(jié)構(gòu)脈沖噴嘴射流沖擊壓力隨靶距的變化趨勢(shì)如圖7所示。

（a）脈動(dòng)峰值

（b）壓力振幅

圖7 噴嘴沖擊壓力隨靶距的變化規(guī)律

由圖7可以看出，不同沖擊壁結(jié)構(gòu)噴嘴的射流沖擊壓力隨著噴射距離的增大逐漸降低，其中，平面體沖擊壁結(jié)構(gòu)噴嘴下降幅度最大。實(shí)驗(yàn)過程中靶距為6 mm時(shí)，不同沖擊壁結(jié)構(gòu)噴嘴的射流壓力均最大，因此噴嘴的噴射距離也是噴嘴結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一，選擇恰當(dāng)?shù)膰娚渚嚯x可實(shí)現(xiàn)較好的沖擊效果[12]。當(dāng)噴射距離較短時(shí)，噴嘴射流以紊流的形式?jīng)_擊傳感器，此時(shí)沖蝕效果較好；隨著射流距離逐漸增大，空氣阻力的干擾逐漸加強(qiáng)，造成射流能量交換損失，導(dǎo)致射流打擊傳感器的力度減弱，沖蝕效果逐漸下降。此外，各靶距下，錐面體沖擊壁結(jié)構(gòu)噴嘴的沖擊壓力均大于球面體和平面體沖擊壁結(jié)構(gòu)噴嘴，隨著靶距增大，錐面體沖擊壁的優(yōu)勢(shì)開始凸顯，錐面結(jié)構(gòu)降低了空氣對(duì)湍流的能量損耗，使得流體由紊流向湍流的轉(zhuǎn)換增強(qiáng)，流體噴射速度下降減緩，射流對(duì)靶件的沖蝕能力增強(qiáng)。平面體沖擊壁造成噴嘴射流速度隨著噴射距離的增大迅速衰減，超過一定范圍時(shí)沖蝕能力消失。

3.3 不同沖擊壁結(jié)構(gòu)對(duì)最佳腔長(zhǎng)的影響

在泵壓分別為7.5 MPa、10 MPa、12 MPa，靶距為4 mm，沖蝕時(shí)間為20 s的條件下，同等當(dāng)量面積的三種沖擊壁結(jié)構(gòu)噴嘴射流沖擊壓力隨腔長(zhǎng)的變化規(guī)律如圖8所示。

（a）平面體

（b）球面體

（c）錐面體

圖8 不同泵壓下噴嘴沖擊壓力隨腔長(zhǎng)的變化規(guī)律

可以看出，不同結(jié)構(gòu)沖擊壁噴嘴均存在最佳的腔長(zhǎng)，且最佳值各有不同。當(dāng)腔長(zhǎng)較小時(shí)射流沖擊壓力較低，隨著腔長(zhǎng)的增大，脈沖射流的噴射效果達(dá)到最佳狀態(tài)。其中，平面體、錐面體和球面體沖擊壁噴嘴最佳腔長(zhǎng)范圍分別為5～6 mm、5～7 mm和7～9 mm；噴嘴出口壓力最大值所對(duì)應(yīng)的腔長(zhǎng)分別為5 mm、6 mm和8 mm。這是由于當(dāng)腔長(zhǎng)較小時(shí)，上游來流波動(dòng)較小，直接穿過下噴嘴流出，不能與沖擊壁發(fā)生有效碰撞形成反向射流波動(dòng)，進(jìn)而無法形成共振疊加振蕩脈沖射流。實(shí)驗(yàn)還觀察到，影響射流振蕩的因素很多，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下沖擊壓力的峰值各不相同，流體剪切層很不穩(wěn)定，當(dāng)上游來流攜帶各種頻率的振蕩波向下傳播時(shí)，在沖擊壁處出現(xiàn)不同的振蕩狀態(tài)。這是因?yàn)閬砹髯矒舻經(jīng)_擊壁時(shí)會(huì)形成許多渦流，與射流固有的振蕩相互疊加構(gòu)成高頻率振蕩效果。當(dāng)諧振腔內(nèi)流體的振蕩頻率相似于聲學(xué)效應(yīng)頻率時(shí)，脈沖振蕩效果會(huì)大大提高。三種不同沖擊壁結(jié)構(gòu)噴嘴的腔長(zhǎng)與上噴嘴直徑1的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：/1＝2.5（球面體）、3（錐面體）、3.8（平面體）。三種不同沖擊壁形狀噴嘴的沖擊壓力呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律，這可能是由于流體在噴嘴內(nèi)流動(dòng)的過程中，各種渦流和流體自身脈動(dòng)也出現(xiàn)周期性變化，新舊波動(dòng)通過諧振產(chǎn)生一定的相位關(guān)系，進(jìn)而產(chǎn)生脈動(dòng)壓力的周期性變化。在這種周期性變化過程中，特定的噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流體進(jìn)行開放、部分開放或阻斷效應(yīng)，進(jìn)而射流產(chǎn)生周期性脈動(dòng)壓力變化。

4 結(jié)論

（1）噴嘴沖擊壁形狀為錐面體時(shí)，相同條件下其沖擊壓力明顯高于平面體和球面體，且相同靶距下錐面體沖擊壁脈沖射流噴嘴具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，對(duì)靶件沖擊能力強(qiáng)。

（2）不同沖擊壁結(jié)構(gòu)噴嘴最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)為：/1＝3.8（平面體）、3（錐面體）、2.5（球面體）。

（3）諧振腔的腔長(zhǎng)是影響噴嘴射流沖擊壓力和沖蝕效果的顯著因素之一，不同沖擊壁結(jié)構(gòu)下均存在最佳腔長(zhǎng)范圍；射流沖擊壓力的脈動(dòng)峰值和振幅的最大值所對(duì)應(yīng)的諧振腔腔長(zhǎng)范圍分別為：4.9～5.4 mm（平面體）、5.8～6.3 mm（錐面體）和7.7～8.2 mm（球面體）。

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Experimental Research on ErosionPerformances of Heterotypic Pulsed Jet Nozzle

YAN Qing

( School of Mechanical and Automotive Engineering, Liaocheng University, Liaocheng 252000, China )

In view of the low injection efficiency of ordinary nozzles, the ability of nozzles to generate self-oscillating pulsed jet effects under different structural parameters was compared. Based on the relationship between different structural parameters of nozzles and the generation of pulsed jet effects, a physical model of a self-oscillating pulsed device was constructed. Experimental analysis was conducted on the jet energy efficiency. Taking the target disk as the impact object, the impact pressure of spherical, conical, and planar impact wall nozzles with the same equivalent structure was quantitatively analyzed. Cavity length and target distance were independent variables and peak and amplitude of jet impact pressure were dependent variables. The results show that the length of the resonant cavity has a significant impact on the injection efficiency. The conical organ tube has the best impact capacity against the wall nozzle, and the impact effect is good. The planar body is slightly smaller than the spherical body. After exceeding the optimal cavity length, the growth rate of impact pressure of the planar nozzle decreases significantly. Under the same conditions of other independent variables, the conical impact wall nozzle has a better self-excited oscillation pulse effect, and the 120° conical impact wall shape in its oscillation chamber is the optimal structure. The experimental results fully validate the theoretical analysis, which has important guiding significance for the design and improvement of nozzle structural parameters.

pulsed jet；nozzle；chamber length；target distance；impact pressure

TV1431

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.12.009

1006-0316 (2023) 12-0054-06

2023-04-07

燕青（1988－），男，山東聊城人，碩士研究生，助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)楦咝淞骼碚摷皯?yīng)用，E-mail：yqwyyx2018@163.com。