（机械电子工程专业论文）高压冲洗车冲洗机理研究.pdf

摘要 摘要 高压冲洗车是城市环卫作业的重要设备，它具有清洁彻底，无二次污染等特 点，为越来越多的城市环卫部门所采用，市场前景非常广阔。国内有许多厂家开 始研发高压冲洗车，因此对高压冲洗车的清洗机理研究、设计方法研究非常迫切。 本文从环卫作业的特点入手，对路面常见垃圾进行了分析以及水射流对垃圾作 用、破碎机理进行了初步探讨。叙述了非淹没射流的运动和动力特性，水射流以 及气液两相流的参数计算方法，对高压冲洗车利用的冲击射流进行了研究。利用 专业流体力学分析软件s t a r c d 对水射流的流场进行计算，对速度、压力以及流 线的分析，为高压冲洗车的水系统设计提供可参考的依据。对冲洗车的射流打击 力进行了测定，提出线打击力和面积打击比能的概念，给出现阶段设计冲洗车的 线打击力和面积打击比能的参考值。实验研究是研究水射流的重要途径，本文还 介绍了水射流的边界、打击力的实验测定方法。在理论、计算机仿真和实验的基 础上提出水系统参数计算和设计方法，确定底盘的选用原则。 关键词：高压冲洗车，水射流，清洗机理，线打击力，面积打击比能 a b s t r a c t a b s t r a c t h i g h p r e s s u r es t r e e tw a s h e r , a ni m p o r t a n tt y p eo fv e h i c l eu s e df o r e n v i r o n m e n t a is a n i t a t i o n i sa p p l i e db ym o r ea n dm o r ee n v i r o n m e n t a i s a n i t a t i o nd e p a r t m e n t i ti sc h a r a c t e r i z e do f t h o r o u g hc l e a n i n g a n dn o q u a d r a t i cp o l l u t i o n i ti sh o p e dt h a tt h e r ei sp r o m i s i n gp r o s p e c tt oa p p l y h i g h p r e s s u r es t r e e tw a s h e ri n t op r a c t i c a iu s e t h e r e f o r e m a n yd o m e s t i c m a n u f a c t o r i e si n t e n dt ou n d e r t a k ei t sm a n u f a c t u r e t h a tu r g e st h er e s e a r c h i n t ot h ec l e a n i n gm e c h a n i s ma n dt h ed e s i g nm e t h o do fh i g h p r e s s u r es t r e e t w a s h e r b a s e do nt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fe n v i r o n m e n t a is a n i t a t i o n 。 t h et h e s i sa n a l y z e st h ec o m m o nr u b b i s ho nt h er o a d 。i ta l s oe x p l o r e s t h e e f f e c t se x e r t e db yw a t e ri e to nt h er u b b i s ha n db r e a k a g em e c h a n i s m t h e m o v e m e n to fn o ns u b m e r g e di e t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o t o r , p a r a m e t e r c a l c u l a t i n gm e t h o do fw a t e ri e ta n dg a s l i q u i dt w o p h a s ef l o wa n dt h er i n s i n g w a t e rj e tu s e di nh i g h p r e s s u r es t r e e tw a s h e ra r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s w i t ha na i do ft h ea n a l y s i n gs o f t w a r es t a r - c d ，w h i c hi sb a s e do na c a d e m i c t h e o 吖o fh y d r o m e c h a n i c s ，t h es p e e d 。p r e s s u r ea n df l u i di i n ea r ea n a l y s e dt o p r o v i d er e f e r e n c eb a s i sf o rt h ed e s i g no fw a t e rs y s t e ma t t a c h e dt o h i g h p r e s s u r es t r e e tw a s h e r j e ti m p a c tf o r c eo fs t r e e tw a s h e ri st e s t e d ，a n d t w oc o n c e p t i o n s ，l i n ei m p a c tf o r c ea n da r e ai m p a c tr a t i oe n e r g y - a r ep u t t e d f o r w a r d 。a n dt h er e f e r e n c en u m e r i c a iv a l u eo fi i n ei m p a c tf o r c ea n da r e a i m p a c tr a t i oe n e r g yi sa c c o u n t e d t h ed e s i g np r i n c i p l eo fh i g h p r e s s u r es t r e e t w a s h e ri sp u tf o r w a r d0 1 3t h eb a s i so ft h e o r ya n dc o m p u t e rm o d e l i n g t h r o u g h t h ed i s c u s s i o na n dc o m p a r i s o no fc h o o s i n gc h a s s i s 。p a r a m e t e rc a l c u l a t i n ga n d d e s i g nm e t h o d sa r ep r o p o s e d s e e i n gt h a te x p e r i m e n t a ir e s e a r c hi s a n i m p o r t a n tm e a nt op r o b ei n t ot h es t u d yo fw a t e ri e t 。t h ee x p e r i m e n t a lt e s t m e t h o d so fw a t e ri e tb o r d e ra n di m p a c tf o r c ea r ei n t r o d u c e di nt h et h e s i s k e yw o r d ：h i g h - p r e s s u r es t r e e tw a s h e r , w a t e rj e t , c l e a n i n gm e c h a n i s m ， l i n ei m p a c tf o r c e ，a r e ai m p a c tr a t i oe n e r g y 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成硕士学位论文! 高压独选奎独选狃堡硒究= = 。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确 注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 第一章绪论 第一章绪论 随着人们对城市环境要求的不断提高，环卫车辆的应用越来越广泛，大量使 用机械作业代替人工作业是城市环卫发展的方向。高压路面冲洗车是环卫作业的 重要设备，它利用水流冲洗路面，将垃圾推向路边，由排水沟排出，不会产生扬 尘，避免二次污染，具有高效、清洁的特点。 1 1 高压冲洗车的发展现状 道路是一个城市的“脸面”，到过欧美城市的人都会为当地马路、人行道的 清洁而感慨。目前，上海内环线内约9 0 平方公里的范围里，道路总长度超过7 0 0 公里，占城区面积的1 5 ，越来越多的马路成为上海城市面貌大变样的标志。 然而长期以来，由于主干道上“裸运 车辆滴漏洒落，景观道上游客随地吐痰， 小马路上市民随意倾倒垃圾，申城大小马路屡见斑斑污迹。这些污染仅靠环卫工 人的日常清扫远远不够，必须用清水冲刷路面，给马路来一个彻底“洗澡”。 路面高压冲洗车是城市环卫部门的重要作业车辆，能够有效地清除路面上的 油污、泥浆等污染物。上海市已提出，2 0 0 3 年至2 0 0 5 年这三年间，上海中心城 区道路冲洗率将大幅提高，分别要达到3 0 、5 0 和7 0 ，这也就意味着到2 0 0 5 年申城7 0 的道路每天都要“洗澡”。 国内环卫车辆制造业近十年取得了长足的进步，垃圾压缩车、垃圾清运车、 扫路车等都已成为成熟产品，但路面高压冲洗车的发展相对落后，据报道，有的 城市曾利用消防车清洗路面。 自二十世纪八十年代起一些城市利用洒水车清洗路面，国内生产洒水车基本 都是沿用北京环卫机械厂2 0 世纪7 0 年代的图纸制造的，普通洒水车性能水平 低，功能单一不能适应环卫部门对作业质量的要求，洒水车水系统压力低( 一般 在1 m p a 以下) ，只能用于轻污染的路面，如灰尘、树叶等，而且洒水车耗水量 大，作业时间短，清洗效率低。 九十年代中，有外国政府向我国环卫部门赠送高压路面冲洗车，如英国的 j o h n s t o n 2 0 0 0 ，该车采用专门设计的底盘，行走系统、工作机构、水系统均采用 液压驱动，水泵压力为5 m p a ，它前端9 + 7 + 7 的喷嘴布置( 中问9 个为固定喷嘴， 两端7 个是可伸缩喷嘴) ，形成扇形水幕。j o h n s t o n 2 0 0 0 出水量不大，一次注水 可工作半个班次，对油污、泥浆等清洗效果良好。 九十年代末，国内有厂家开始模仿j o h n s t o n 2 0 0 0 的水系统设计生产通用底盘 改装的高压冲洗车，选用意大利水泵，水泵压力提高到9 m p a ，为了增加一次加 第一章绪论 水的作业时间，选用8 吨底盘，但该车清洁效果较差，并且水流冲击地面后反射 带起的灰尘与水雾会造成二次污染。 目前国内高压冲洗车基本上都采用二类底盘改装，水泵压力己提高到 1 3 1 5 m p a ，如此高的水压虽然能够改善清洗效果，但同时也使配件的成本提高， 维修保养困难。 上海市市容环卫协会设备专业委员会于2 0 0 3 年5 月2 1 日组织开展了扫路 车、清洗车使用性能测评活动，通过这次测评，看到国内道路清扫、清洗机械的 发展有一定的进步，其功能正在接近国外同类产品的水平，但其性能与国外先进 产品之间存在着较大的差距，尤其是冲洗车作业时的飞溅、积水等方面存在较为 突出的问题，这些都有待于科研机构和生产企业不断努力改进和完善。同时上海 市市容环卫协会设备专业委员会特别希望适用于城市道路清扫、清洗作业的专用 底盘清洁车能不断推出新品，提高产品性能和质量，能在清洗作业市场中得到推 广应用，以提升城市道路清洁水平。 英美和日本的环卫用高压冲洗车产品种类较齐全，既有全液压产品，也有通 用汽车底盘改装的产品，相关配件的研究也达到一定水平，如专业生产喷嘴的公 司，对各种喷嘴的喷雾形状、压力等都有较深入的研究。因进口产品价格太高， 维修保养和配件供应困难，进口高压冲洗车在国内很少应用。 国外近些年开发了喷吸结合的清洁车，利用高压水喷射冲洗路面，真空泵将 污水吸入车内，并增加了污水利用装置，对大块垃圾和重污染路面能起到良好的 清洁作用，污水的循环利用，可以增加作业时间，节约水资源。 1 2 高压冲洗车的作业方式与技术特点 1 2 1 高压冲洗车一般有三部分组成，即：底盘和动力部分、工作机构和喷水系 统。 一、底盘与动力部分： 高压冲洗车的底盘有两种结构方式，即专门设计的冲洗车底盘和利用通用的 二类汽车底盘。 专用底盘在行走与工作机构、水系统的功率与行走系统可进行合理匹配，通 常采用全液压方案，车体较小，操纵灵活，专用底盘方案适用于小型高压冲洗车 设计。 采用通用底盘可大大缩短设计与生产周期，而且可降低成本，现在国内的高 压冲洗车都采用通用汽车底盘改装。二类底盘改装的车辆一般车体较大，作业宽 度大，载水量也大，车速快，适用于高速公路、城市干道的清洗作业。 2 第章绪论 由于汽车底盘发动机外特性曲线是为运输而设计，而高压清洗车的工作速度 一般在5 1 0 公里j 、时，在低速状态下发动机功率小，无法再驱动高压水泵，所 以汽车底盘改装的冲洗车一般采用双发动机方案，增加一个副发动机单独为水泵 提供动力。 二、工作机构 工作机构主要是完成喷水作业中喷管的上下升降、左右伸缩以及喷射角度的 调节，使冲洗车以合适的宽度和角度进行清洗作业。 三、水系统 水系统是高压清洗车的核心部分，主要由高压水泵、电磁水阀、水滤器、压 力调节阀、安全阀、水箱、管路和喷嘴组成，大多数的高压清洗车还装备手持喷 枪。喷水部分包括前喷管、侧喷嘴及高压喷枪，前喷管一般由主喷管、左右喷管， 组成，清洗宽度可以调节，手持高压喷枪带有绞盘和胶管，可以清洗建筑物、道 路护栏等。 6 图1 1 高压冲洗车示意图 1 、主喷管：2 、副喷管：3 、侧喷嘴；4 、手持喷枪：5 、绞盘和胶管； 6 、水箱举升油缸；7 、水箱；8 、水泵和阀 1 2 2 高压清洗车的作业方式和技术特点 高压清洗车是利用小流量的高压水冲击地面，并利用水流将垃圾推向路边， 它不同于环卫扫路车和洒水车。扫路车的扫盘将垃圾汇集于吸盘下，吸入车厢， 所以扫路车适用于路面垃圾污染物粒径较大的清洁工作，扫路车清扫能力强，但 二次扬尘严重；洒水车是利用低压大流量的水流清洁路面，由于水压低，冲洗效 第一章绪论 果差，耗水量大，只适合于路面养护和园林绿化喷洒。扫路车和洒水车对于油污、 泥浆的清扫冲洗难以奏效，由扫路车吸扫过的路面仍然会存在着污染残余，不能 彻底清洁。 高压清洗车并不将垃圾收集进车厢，而是推到路边的排水沟中，对油污泥浆 等以及粘在路面上的有机物清洁效果良好，并且冲洗过的路面可以做到干净不留 残余，但垃圾量不能太大。 1 3 选题意义与研究内容 1 3 1 选题的意义 近年来，国内对于高质量的环卫车辆需求巨大，根据建设部关于道路机械化 清扫和冲涮的工作定额规定，每1 0 万平方米道路面积需配备一辆高压冲洗车或 洒水车，而现在国内高压冲洗车生产厂家不足十家，产品无论质量还是数量都远 远达不到环卫部门的要求。高压冲洗车设计的基础研究是现阶段急需解决的问 题。 高压冲洗车是利用水射流工作的，水射流技术的工业化利用起始于二十世纪 三十年代，最初利用水力开采煤矿和洗煤，七十年代水射流技术得到了迅猛的发 展，水射流的应用更加广泛，相关设备以及喷嘴的研究都有了长足的进步。 水射流切割和工业清洗的系统压力都很高，从几十兆帕到上百兆帕，对应压 力范围内的研究成果较为丰富，而有关5 i o m p a 高压水冲洗路面的研究资料十 分缺乏，很难找到有关文献，而国内对高压路面冲洗车的研究尚未开展。由于不 懂水冲洗的理论和关键技术，不能进行正确的设计，制造企业几乎完全模仿国外 产品，致使国内的高压冲洗车十分落后，因此急需对环卫高压冲洗车进行基础理 论研究。国内各主要环卫车辆生产厂生产的高压冲洗车很多采用进口液压系统及 水系统，但由于功率匹配，速度匹配不好，无法达到国外产品的性能，并且可靠 性差，成本高，无法被环卫部门接受。 在此背景下，希望通过本课题的研究，为高压冲洗车各系统设计提供理论依 据和计算方法，改变现在厂家盲目仿制的现状，在泵的选型、动力匹配、喷嘴形 式与布置等方面进行优化，达到理想的冲洗效果，促进产品的升级换代。 1 3 2 主要研究内容和研究方法 运用流体力学的基本理论，研究高压水的射流场，并对其进行推导和计算， 研究高压水射流对地面和垃圾的冲击力，以及水系统中相关参数的关系。 高压水射流流场是本课题研究的基础。在此基础上研究水从喷嘴中喷出的水 幕( 水覆盖的范围和形状) ；高压冲洗车冲洗作业时速度与系统压力、流量、喷 4 第一章绪论 射角度之间的关系；喷嘴的布置在高压冲洗车作业中所起的作用；高压冲洗车主 要参数与水系统设计参数之间匹配关系。为高压冲洗车的水泵、喷嘴选型和高压 冲洗车的设计提供理论依据。 现代流体力学已建立起较完善的体系，利用这些研究成果在理论上推导和描 述出高压水的冲洗机理。在高压清洗车的设计过程中，为了了解水清洗的机理， 设计人员必须研究水在空间的速度与压力场。描述粘性液体运动的方程是纳维一 斯托克斯方程( n s 方程) ，它与连续方程和相应的边界条件组成的封闭方程组， 原则上是可以求解的。但是由于n s 方程含速度的二阶导数求解非常困难。现 在可以利用一些专业软件计算，并可使结果可视化，如s t a r c d 。利用s t a r - c d 的 计算结果分析水射流，直观地观察水流的速度与压力在空间和地面的分布，有助 于设计人员更好地利用射流，提高设计的效率。 实验是研究流体力学的重要手段，本课题将通过实验的方法研究冲洗车的打 击力与清洁效果的关系。 5 第二章高压水射流清洗地面垃圾的机理 第二章高压水射流清洗地面垃圾的机理 水射流对污垢的冲洗过程颇为复杂，它涉及到水在污垢内渗透、裂纹的扩散、 压缩与剪切破碎、成坑和水楔作用造成的大规模裂缝扩张，这一系列现象的持续 时间仅为几微秒t s l i 清洗时高压水射流的动力学效应也就是在这段时间内完成 的。污垢的成分和结构多种多样，因此它的硬度、密度、强度千差万别。对应不 同的污垢，上述过程也不尽相同，但概括起来有两种巧1 ：一是以水在污垢内的渗 透为主的包括裂纹扩散、压缩与剪切作用、成坑和水楔等过程的破碎方式：另一 是以压缩与剪切为主的包括裂纹的扩散、成坑和水楔等过程的破碎方式。由于破 碎方式的不同，要求水射流的特性、射流压力、靶距、乃致喷嘴的结构形状有所 不同。 2 1 路面污染物的成分分析 2 1 1 高压水路面冲洗车作业的对象路面污染物成分相当复杂，归纳起来有 如下几类： 1 灰尘：一般时问不长，浮在地面上； 2 泥浆和泥浆干后的泥块； 3 油污，多为汽车所遗留； 4 粘在地面的垃圾，如树叶和纸张； 5 硬质垃圾，如混凝土搅拌车遗留的混凝土。 2 。1 2 路面污染物的特点 路面污染物的特点与其他类型的污垢不同，首先，污染物的结诟时间均不会 太长，污垢与地面的附着力不像工业设备上的水垢、油污、氧化物那么大，在地 面上的污染物致密的、高硬度的很少，多为疏松的、软质的。所以高压清洗车的 水泵工作压力要比工业清洗设备低得多，一般在5 15 m p a ，而工业清洗的压力 多在5 0 l o o m p a ；第二，路面上的垃圾不同于其他清洁表面的污染物，成份复 杂多样并且同时存在，如既有油污又有有机物、泥浆等。 对于质地较硬的垃圾、污垢是通过水射流在污垢中渗透，以及渗透为主引起 的裂纹扩散、压缩和剪切效应、成坑和水楔作用造成的大规模裂缝扩张，使污垢 从路面上剥离，而软粘的垃圾污垢等主要是通过水压力直接压缩和剪切引起裂纹 到裂纹扩散、成坑、水楔扩张使垃圾、污垢剥离路面。对于树叶纸张等垃圾则利 用水流的推力推向路边。 6 第二章高压水射流清洗地面垃圾的机理 2 2 高压水的冲洗机理 2 2 1 水射流液滴与地面垃圾的相互作用过程 射流液滴接触物体表面是，速度发生突变，从而导致液滴状态与内部压力及 接触点材料内部应力场均会发生突变。在液滴与固体接触面上存在一个极高的压 应力区域，它对材料的破坏过程起有重要的作用。射流液滴与材料的相互作用 过程如图2 1 所示。 图2 1 射流液滴与地面垃圾的相互作用过程 当液滴作用于物体表面时，仅仅在冲击的第一阶段射流才能保持平坦，如图 2 2 所示。 图2 2 液滴形状变化与材料相互作用时间的关系 图中l 为t = 0 时刻液滴状态，2 为，= r c 、3 为f = 2r c 、4 为f = 5r c 时刻液滴状态( c 为水中声速) 。 图中r 为液滴半径； l 为，= 0 时液滴长度。 在高速液滴冲击下，材料表面受冲击区中心产生微变形，从而形成一突增的 局部压力又称水锤压力，图2 3 是射流打击中心的射流压力同射流与材料作用时 间的关系1 5 1 1 1 。 7 第二章高压水射流清洗地面垃圾的机理 乞mw o1 0z u3 0 l ( 1 0 一6 s ) 图2 3 液滴的中心则在强大的水锤作用下处于受压状态。随着液固边缘液体的径 向流动，流体压力得到释放。同时，压缩波由液固接触面边缘向中心传播。当 其达到中心后物体表面的压力全部从最高压力降至冲击液滴的滞止压力，液滴内 部的受压状态消失。上述作用过程维持的时间极短，仅是微秒量级，它取决于液 滴的大小及压缩波的传递速度。该过程中液滴内部压力随时间波动，其分布及不 同时间段的变化如图2 4 所示。 二l l 1 - _ o 1 ) 1 2 户一o 2 ) 3 3 户一o 3 n _ 佐n 版烈 c ) d ) 图2 4 射流液滴内部压力波动随时间的分布及变化 a ) t = 0 2 5r c 时；b )f = 0 5r c 时；c ) t = 2r c 时 d ) ，= 5 r c ( 歹= p p o ) 图中p 一无量纲压力，p 一= p po ； 8 o o o o o o 印 砌 已笺 第二章高压水射流清洗地面垃圾的机理 p 液滴压力： p 。射流驱动压力。 液滴与材料相互作用过程中的最高压力维持的时问很短( 1 2 9 s ) ，它同 射流驱动压力、射流速度、射流结构及压缩波速度有关。最大压力持续时间也是 压缩波扩展至冲击中心所需时间的函数。 如果忽略材料的变形，其局部最大压力可由下式确定： p ：堡 ( 一2 1 ) 2 l 。ij c 式中p 打击中心局部最高压力，m p a v 射流速度，m s ； e 水的弹性模量，e = 2x1 0 3m p a c 水中声速。 2 2 2 以渗透为主的清洗机理 对于硬质垃圾，是可渗透的，即水能渗入垃圾之间的间隙，并对垃圾施加压 力，当此压力大于颗粒之间引力时，产生裂纹且裂纹一步一步地扩散，后续的射 流又直接起压缩、剪切和水楔作用从而使垃圾产生裂缝、凹坑到全部剥离。在这 个过程中起决定作用的是水的渗透引起的作用于垃圾上的水压力，当该水压力足 够克服垃圾之间、垃圾与地面之间的粘着力时，他们之间产生裂纹在后续射流作 用下，裂纹扩散、扩张，并逐步成裂缝，使其剥离。裂纹的扩散方向与垃圾的渗 透方向、垃圾结构有关，扩散速度与渗透速度有关。水射流的压力、剪切和水楔 作用也或多或少的促进了垃圾破碎，加速垃圾剥离，而且垃圾破碎、剥离的方向 与射流的工作方向有关。 从渗透到剥离的过程可推知：当用水射流冲击一块可渗透性垃圾时，产生凹 坑的速度极限应等于水渗入垃圾孔隙的速度。如果射流压力很低，使作用在垃圾 颗粒上的水压力小于其粘着力，水渗入污垢，并在其内扩展，形成渗水区：当压 力增大，使压力大于粘着力，颗粒便从路面上剥离开来，此时射流产生的压力型 面始终作用在不同的垃圾上。由此可知渗入区的部位就是凹坑的极限位置，也可 说明渗水区或多或少比凹坑超前一定距离。 国外学者研究表明，射流速度达到某一临界值时，将在垃圾中形成压力波， 加速垃圾破碎。由于路面垃圾成份复杂，寻求这一临界值很困难，并且路面这种 硬质的垃圾并不常见。 9 第二章高压水射流清洗地面垃圾的机理 2 2 3 水压力直接压缩和剪切的清洗机理 对于软粘的渗透性的垃圾，主要是通过水压力直接压缩和剪切引起破碎应 力。当该应力按照一定的规律超过垃圾的强度极限时，垃圾产生裂纹、裂缝，在 后续水射流的水楔等的作用下扩张成坑，以达到垃圾的破碎和与路面分离并被冲 洗干净。 根据弹性力学理论，水射流对垃圾压缩和剪切引起的应力状态为三维空间应 力状态。对此受力情况下的应力可按三向应力状态分析，根据强度理论可求解水 射流的压力，求解时，极限应力可取垃圾之强度极限。由于垃圾成分、结构的复 杂，没有详细的性能应力一应变等参数，目前只作为一种定性分析的方法，由试 验确定水射流对垃圾冲蚀的压力情况。另外，垃圾成分、结构各异，从实用的角 度来说，建立应力一应变等参数值，没有多大价值5 1 ，由试验确定射流压力值可 完全达到清洗要求。 l o 第三章高压水射流的理论基础 第三章高压水射流的理论基础 高压冲洗车主要是利用水射流，对地面污染物进行剥离、破碎并利用水流将 污染物输送到路边。所以首先了解水的基本性质，射流概念以及射流的一般特性， 冲击射流等。 3 1 水的物理性质 冲洗车的清洗介质主要是水，水的化学性质稳定，其主要物理性质包括： 3 1 1密度：在标准大气压、2 0 。c 常温下( 即标准状态下) 纯水的密度为 p = 9 9 8 2k g m 3 ： 3 1 2 重度：单位体积流体所具有的重量称为重度，标准状态下纯水的重度为 7 = 9 7 8 9k n m3 ，密度和重度的关系是y = p g ； 3 1 3 粘性：指流体内部抗拒变形、阻碍流体运动的特性。衡量流体粘性大小的 物理量是动力粘度和运动粘度y ，两者关系为l ，：丝。标准状态下水的动力 p 粘度t = 1 0 0 2 1 0 一p a s ； 3 1 4 压缩性和膨胀性：一般流体的密度和重度随温度和压强的改变而变化，这 是由于流体内部分子间距离改变引起的。气体和液体的压缩性和膨胀性差别很 大，液体的压缩性和膨胀性都很小，理想条件下通常把液体当作不可压缩流体， 即认为其密度和重度不随温度和压强而变化，但实际上液体也是可压缩的。 水的压缩性通常用压缩系数k 表示， k = 一上盟( 3 1 ) = 一一一 l j - l ， y d p k 的单位是压强的倒数，聊2 。 表5 - 1 水在常温( 2 0 c ) 、不同压力下的k 值 p ( m p a )51 0 2 04 01 0 0 2 0 04 0 0 k ( 10 9 m 2 n1 ) 0 5 3 80 5 3 60 5 3 l 0 5 2 80 3 9 30 3 5 6 0 2 8 0 水在低压时一般视为不可压缩的，而在2 0 0 3 0 0 m p a 时，压缩量约7 - - 9 ，压 缩性就不能忽略了。 第三章高压水射流的理论基础 表5 - 2 水在不同温度下的物理机械性质 温度重度密度动力粘度运动粘度体积弹性系表面张 o ck n m 3 船im 3 p a s 1 0 3m 2 j 1 0 6 数g p a力 n m 0 9 8 0 59 9 9 9 1 7 8 l1 7 8 52 0 2 0 0 7 5 6 59 8 0 71 0 0 0 01 5 1 81 5 1 92 0 60 0 7 4 9 1 09 8 0 49 9 9 71 3 0 71 3 0 62 。1 00 0 7 4 2 2 09 7 8 99 9 8 21 0 0 21 0 0 42 180 0 7 3 5 3 09 7 6 49 9 5 7 0 7 9 8 0 8 0 0 2 2 5 0 0 7 1 2 4 0 9 7 3 09 9 2 20 6 5 3 0 6 5 82 2 80 0 6 9 6 5 0 9 6 8 99 8 8 00 5 4 70 5 5 32 2 90 0 6 7 9 8 09 5 3 09 7 1 80 3 5 4o 3 “2 2 0o 0 6 2 6 1 0 09 3 9 99 5 8 40 2 8 2 5 0 2 9 4 2 0 70 0 5 8 9 3 2 射流的概念和分类 3 2 1 射流的概念 流体由孔口、喷嘴高速喷出，流入另一部分流体介质中，这种流动称为射流。 3 2 2 射流的分类 流体射入与其本身性质相同介质中的流动称淹没射流：流体射入与其本身性 质不同介质中的流动称非淹没射流，例如水射入空气中。这种划分类型的原因主 要是从射流的流体动力学结构和动力特性考虑的。因为淹没射流的运动属于单一 介质的流动问题，而非淹没射流则是两相( 或多相) 介质的流动问题。 流体射流的作业环境内有没有固壁的限制，对射流的形成和动力性能有显著 的影响。在固壁约束下的射流称为非自由射流：没有固壁约束的射流称之为自由 射流。 其他的一些分类方式还有如按压力，按工作介质分类( 牛顿流体射流、非牛 顿流体射流) ，按发射方式( 连续射流、脉冲射流) 等。 高压水冲洗车工作时，水射出喷嘴，射入空气后冲击地面，在空气中为非淹 没自由射流，沿地面流动应为有一面固壁约束的壁面射流。 3 3 紊动射流的一般特性 3 3 1 紊动射流的结构 射流以初始速度u 。自孔口射出后，与周围静止流体问形成了速度不连续的 1 2 第三章高压水射流的理论基础 间断面，如图3 1 所示， 射 图3 1 射流结构 速度间断面是不稳定的，会产生波动，并发展成涡旋，从而引起紊动，这样 就会把原来周围处于静止状态的流体卷吸到射流中，被卷吸并与射流一起运动的 流体不断增加，射流边界逐渐向外扩展，射流直径增大，流量沿程增大。由于周 围静止流体与射流的掺混，相应产生了对射流的阻力，使射流边缘部分流速降低， 难以保持原来的初始流速。射流与周围流体的掺混自边缘逐渐向中心发展，经过 一定距离发展到射流中心，在这以后射流的全断面上都发展成为紊流。由孔口边 界开始向内外扩展的掺混区称为剪切层或混合层。其中心部分未受掺混影响，仍 保持原出口流速甜。的区域称为势流核心区。从孔口至核心区末端的这一段称为 射流的初始段，紊流充分发展以后的射流称为射流的主体段。在初始段和主体段 之间有一个很短的过渡段，一般在分析中不予考虑。 根据a l b e r t s o n ( 1 9 5 0 年) 和a 6p a m o b y ( 1 9 6 0 年) 等的实验研究和理论分析 表明，紊动自由射流具有如下的重要特性： 3 3 2 断面流速的相似性 射流的初始段与主体段的各个断面的流速分布具有明显的相似性，运动相似 表达式如下： ax i = 兰生= ：坠= f ( r ) ( 3 2 ) u 辨iu _ 2u _ 式中：材，射流轴向速度，“，= f ( y ，x ) ： ”埘射流的轴心速度，“。= f ( x ) 。 第三章高压水射流的理论基础 一 i l 一l 、 饿 a j 锄 ；2 0 ： 蕊 t 1 1 户 j 1 0 k c 衫多彰1j 小，淑 y ( m m ) 图3 2 平面射流的速度剖面 图3 2 为平面紊动自由射流中不同断面流速分布图，轴线上的流速最大，距 轴越远流速越小。若流速“，和断面上横向坐标y 分别以无量纲坐标”，1 2 。和 】，t 来表示，l 是截面上甜，= 号“。的点到对称轴的距离。所有各断面上的 无量纲流速分布均落在同一条曲线上。如图3 3 。 图3 3 平面射流无量纲流速分布 阿勃拉莫维奇首先采用如下拟合公式来描述紊动射流主体段各截面的流速 分布： 1 4 第三章高压水射流的理论基础 生：f ( r ) = ( 1 1 7 5 ) 2 ( 3 3 ) u “ 3 3 3 射流边界线性扩展 实测结果和理论分析表明，射流的紊流边界层混合区的混合层厚度随距离发 展成线性增加。将主体段射流的上下边界线延长，交汇于一点o ( 如图3 1 ) ，这 一点称之为射流的虚源。根据厚度线性增长的规律，则有： 一b ：t g 口：c o n s t ( 3 - 4 )一=口=() x 式中口为射流边界线与轴线的夹角，称扩散角。初始段的边界发展也为直线， 但扩散角与主体段不同1 8 1 。 射流的边界为线性扩展，这仅仅是宏观的概念，由于紊动作用在边界附近表 现得很剧烈，从实验观察到的边界并不是一条光滑笔直的直线，而是锯齿形线。 3 3 4 动量通量守恒 自由射流的压强可认为等于周围流体的压强，射流中的压强沿x 方向没有 变化，即： 望：0 o x 则在x 方向必定保持动量守恒： 卜，d m = p “；幽= c 。门s t ( 3 - 5 ) 肼月 和 i o = m uo = p g r o ( 3 6 ) 式中 j 。动量通量的初始值； r o 喷嘴的出1 5 1 半径： p 流体的密度； “。喷嘴出口处的射流速度。 以上射流的结构与主要特性，是依据能量守恒和流体动力学相似原理推导出 来的，并经大量实验的验证，因此这些特性是任何紊动射流的基本属性，对于气 体或液体、淹没或非淹没射流都是适用的。 3 4 紊流射流的运动分析 将射流结构简化如图3 4 ，射流主体段边界延长线的交点m 称为极点， 喷口到极点的距离为x 。，喷口到任一截面的距离为j ，该截面到极点的距离为 1 5 第三章高压水射流的理论基础 x ，射流外边界与轴线的夹角口，即扩散角。 辛币 j 吐一一，一一一，- ；，竺= 一 垃 - - 、- - 、一 ，o 图3 4 射流计算简图 主体段与起始段的扩散角是不同的，因而射流的边界线并不是一条直线，而 是一条在过渡段面转折的折线。 动量修正系数。反映喷口断面流速分布不均匀程度，它是出口断面按实际 流速甜计算的动量与按平均流速v 。计算的动量之比： ，, o u2 d a 。2 哥 o - 7 式中彳。一喷嘴出1 2 1 面积； 当断面流速分布均匀时，p ol 。由实验知，此时i2 若2 o 6 可近_ t g 认为工o 0 ， 式中 x 。一无量纲极点到喷嘴平面的距离； 尺。喷嘴半径； 无量纲初始段长 i 2 詈2 1 2 4 式中s 。一初始段长。 以下是圆形射流主体段的运动参数 1 6 第三章高压水射流的理论基础 3 4 1 射流半径的沿程变化 由图3 - 4 可以看出。主体段任一截面的半径r r = ( x o + s ) t a na 无量纲半径为 旦：( 三q 兰! 塑竺：it a i l 口 r or o 式中无量纲任一截面到喷嘴平面的距离 3 4 2 轴线流速甜。沿程的焚化 根据射流动量通量守恒，有 pop 筇r0 2 v q 2 = 1p t l 2 、2r c y d y 两边除以p r c r 2u 。2 ，得： 蹦争) 2 ( 芒) 2 = 2r ( 寺) 2 ( 詈川景) 将式3 - 3 的流速分布带入上式： 2r ( 旦u 0 ) 2 ( 争d ( 毒) = 2 r 瓯叫5y 了叩d 刁 而 f 【( 1 一，71 5 ) 2 】2 r dr = 0 0 6 6 7 5 n i f t 堕= 坚立匾 “o xt a n 口 ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 3 4 3 起始段长度 式3 - 1 0 中令“啊砘矗i 2 半且p 起始段长度为： s 。：黑r 0 仄p 0 一x 。t s 月2 k 、 一x o a n 口 ( 3 1 1 ) 1 7 生 2 jo = 堕 入 代 9 ，)式将 第三章高压水射流的理论基础 如出口断回流速分币均匀，o = 1 ，x o 0 ，则： 铲等尺。 3 4 4 流量的沿程变化 设主体段内任一截面的流量为q ，出口断面流量为q 。，则无量纲流量为 虿= 暑= 蔫警= 2 庐c 等，c 寺川意， 将等= 乏b l 。xu “r 。n 和y r 。= 上r 旦r o 眠 万a = 2u - x - ( - 鲁o 。) 2f ( 等) ( 扣( y 再将式3 - 9 ，3 1 0 ，3 - 3 代入上式，整理后： 暑= 2 2 7 3i 协口历f ( 1 - 矿5 ) 2 咖 而f ( 1 一召。5 ) 2r dr = o 1 2 9 ，所以 暑- 0 7 伽口历i ( 3 - 1 2 ) 3 4 5 断面平均流速的沿程变化 q 一一 丢= 至q o = c 暑譬，2 = ”t a n 口万i c 元，2 = 鬟要 冗r j ( 3 1 3 ) 3 4 6 质量平均流速沿程的变化 比较式3 一1 0 和式3 1 3 ，知v = 0 2 5 8 “。，在清洗作业中应用的是轴线附近速 度较高的区域，而平均流速1 ，不能反映这个区域的流速，为此引入质量平均流速 ，它的定义是：某截面的v 与通过同一截面的质量流量p q 的乘积即为单位 时间通过该截面的真实动量。根据这个定义，取出口截面和任意截面列动量方程： 。p p 。“。= p p1 ， 1 8 第三章高压水射流的理论基础 ! ：丝：1 4 3 巫 ( 3 - 1 4 ) “oq xt a n 口 比较式3 一l o 和式3 - 1 3 ，可知v = 0 5 2 “。，比v 约大一倍，能更好的反映使用 区域的速度。 3 5 非淹没射流的水动力学结构及流动特性 非淹没自由射流主要指大气中的水射流，高压冲洗车的清洗作业即应用这 种射流类型。 由于高压冲洗车的工作介质水与环境介质空气之间的剧烈的动量 交换和紊动扩散，使非淹没水射流成为气液两相混合介质射流。这使非淹没水射 流区别于淹没水射流的基本特征。淹没水射流涉及经典流体动力学的材料较多， 而非淹没射流则更多地涉及高速气液两相流动及激波原理问题。在气液两相射流 形成过程中，涉及水介质的雾化原理；在动力特性方面，涉及气液混合介质的声 速和声阻抗等问题。现在用解析法研究非淹没水射流的流动特性和参数计算依然 是十分困难的，必须运用现代的测试技术来观察非淹没水射流复杂的流动过程， 从而为主要参数的研究奠定基础。 3 5 1 气液两相流的水动力学结构 图3 5 1 喷嘴；2 喷嘴内主流：3 喷嘴内边界层：4 射流初始段； 5 射流主体段； 6 正激波阵：7 打击区：8 卸载波阵；9 膨胀区：1 0 靶体 图3 5 给出了非淹没自由射流的流动过程，这个过程有三个组成部分。其中 部分i 是射流的上游，即喷嘴内部的流动。部分i i 是非淹没自由射流，它的水动 1 9 第三章高压水射流的理论基础 力学结构用图3 6 表示。部分i i i 是射流在靶体表面的流动图形，以描述射流与 靶体之间的相互作用。 2 图3 6 1 喷嘴；2 等速( 势流) 核：3 混合区：4 边界层：伊虚源 由图3 6 可知，非淹没自由射流的水动力学结构与淹没射流大体上相同，也 是由射流初始段和主体段组成。同样地，射流初始段包括等速核( 或势流核) 和混 合区，而射流主体段都属于混合区。不同之处在于淹没射流的混合区是同种流体 介质不同速度流层的混合区，对于非淹没射流，则是不同速度的两种流体介质( 即 水与空气) 的混合区。因此，从介质组成上可以勾画出非淹没自由射流的结构， 射流的主要部分是水( 包括水滴) 与空气组成的两相混合介质，只有等速核是单一 的水介质，而且，等速核淹没和消失在混合介质之中。从能量传输的角度分析， 等速势流核仍是非淹没射流的能量密集的主流，而且，混合介质是通过动量交换 机制而从等速核介质中获得动能的，混合介质在非淹没射流中占据了主要成份， 而且蕴藏着可观的动能t 7 1 。 3 5 2 水滴形成过程和尺寸 在混合介质内部，空气是被卷吸的连续相介质，而水滴是被空气动力“撕破 的离散相介质。在没有相变的两相运动中，没有外力作用时，水滴( 或水雾) 的 形成是一种机械式破碎。由于紊动脉动、空气动力与水的表面张力的复合作用， 在高速的水射流内出现波纹式扰动，它的发生、生长和迅速的变形，便形成延长 的液线，并由此破碎成水滴。这些水滴一般是不稳定的，它们还可能破碎成更小 的水滴。水滴的稳定性主要取决于空气动力与表面张力的比值，即韦伯数，用 w e 表示： 耽= 竺121 ：! 兰! 二兰21 ：! 12 1 ( 3 一1 5 ) 仃l仃1 第三章高压水射流的理论基础 式中d ，水滴直径； 甜水的速度： “，空气的速度； “空气与水的相对速度； 盯，水的表面张力； p ：空气的密度。 水开始破碎成水滴的韦伯数，称临界韦伯数( 耽1 。由临界韦伯数可以估 算出水滴的直径： d ，：型堕) l ( 3 1 6 ) ( “l 一“2 ) 2p2 对于大气中的水射流，临界韦伯数取1 0 至2 0 。水滴的稳定尺寸应等于或 小于d ，。否则，大于这个尺寸的水滴还有被破碎为尺寸更小的水滴的可能。由 此可见，射流初始段的混合介质与主体段内的混合介质的区别，主要是水滴的尺 寸、密度及分布不同而己。 关于水滴尺寸的频谱，通过试验测定和统计得知，是按正态分布和对数正态 分布 1 0 1 。 3 5 3 混合介质的声速及基本属性 流体中某一处受到外力作用，它的密度、压力及温度将变化。这种变化称为 扰动