（化工过程机械专业论文）用于清洗的空化水射流喷嘴的实验研究.pdf

摘要 自激振动空化射流兼有空化射流与脉冲射流的优点，多用于煤矿开采、石油钻井 领域，在船体、管道清洗中也己得到初步应用，具有效率高、节水省时、成本低等优 点。对其在清洗中应用的研究，将能促进清洗行业发展，具有广泛的经济与社会效益。 文中以设计最优结构参数自激振动空化喷嘴为目标，应用空泡动力学、空化与空 蚀、水动力学、湍流等理论，研究了空化射流清洗的机理，分析了空化射流清洗的特 点、空化与脉冲射流的形成机理、空化初生的影响因素和内外部条件。文中通过应用 瞬态流、水声学和流体共振等理论及流体阻抗法，理论分析了自激振动空化射流与风 琴管自激振动空化喷嘴的工作原理、产生强烈自激振动空化射流的风琴管谐振腔的特 性、喷嘴内流动特征方程及风琴管谐振腔长度计算公式。本文还建立了基于异径均匀 管串接而成的风琴管谐振腔物理模型，给出了含有七个未知量和七个方程的风琴管谐 振腔固有频率的数值解模型，最后推导出了风琴管谐振腔固有频率计算公式。 在理论研究基础上，文中进行了基于空化射流对射靶打击力测量和空化射流清洗 效果测定的自激振动空化射流喷嘴特性的实验性研究。研究得到风琴管自激振动空化 喷嘴的喷嘴直径、谐振腔长等参数对产生白激振动空化效果及清洗效果的影响规律， 证明了用自激振动空化喷嘴能较大地提高清洗系统的清洗能力，特别适于对工程车辆 的清洗。最后，在理论和实验相结合原则、达到泵的额定流量与额定压力原则的基础 上，得出了自激振动空化喷嘴设计模式。 关键词：空化射流；空化喷嘴；自激振荡；清洗技术；优化设计 a b s t r a c t s e l f r c s o n a t i n gc a v i t a t i o n ( s r c ) w a t e rj e t i s p o s s e s s e do fm ea d v 锄t a g e o f c a v t i t a t i o na i 订p u l s e dw a t e rj e t ，、v h i c hu s u a l l yh 嬲b e e nu s e di nt h ef i e l do fc o a lm i n i n g ，o i l “l i i n g 锄d 砌s oh 弱b e e np r e l i m i n a r i l yu s e di nc l e a i l i n gs h i ph u u 锄dp i p e se t c i tf e a t u r e s 、7 l ，i t l lh i 曲e 筋c i e n c y w a t e 卜s a v i n g ，t i i n e s a v i n g 锄dl o wc o s te t c s t u d ) ，i n go ns r cw a t e rj e t t h a ti su s e di i lc l e a n i n gw i i lp r o m o t ct l l ed e v e l o p m e n to fc l e a n i n gf i e l d 锄db e n e f i t e c o n o m i c sa n ds o c i e t ) rw i d e l y 7 r h i sd i s s e 删i o ni sa j m e da td e s i g n i n go p t i m u ms t r u c t l l r mp a r a m e t e r so fs r cj e t n o z z l e ，w h i c hi sb a s e do nm i et h e o r i e so f b u b b l ed ”锄i c s ，c a v i t a t i o n ，h y d r o d y i l 锄i c sa i l d t l 盯b u l e n c ee t c t h em e c l l a ：t l i s mo fc l e a m n gb yc a v i t a t i o nw a t e rj e th 嬲b e e nm l d i e d ，a n d w i l i c hh a v eb e e n 撒l y z e di n c l u d e st l ec h a r a c t e r i s t i c so fc l e a l l i n gb yc a v i t a t i o nw a t e rj e t ， t l l ef o r m a t i o na n dm e c h a i l i s mo fc a v t i t a t i o n 锄dp u l s e dw a t e rj e t ，t l l ei i 】n u e i l c i n gf 配t o r s a n di n t r i n s i c e x t e m 甜c o n d i t i o i l so fc a v i t a t i o ni n c i p i e n t b a s e do nt l l et l l e o r i e so fn u i d t 眦s i e n t s ，h y d r o a c o u s t i c s ，f l u i dr e s o n a i l c e 觚di m p e d e n c em e t l l o d ，m em e c h 锄i s mo fs r c w l t e rj e ta i l do 唱觚- p i p es r c j e tn o z z l e ，t l l e yl l a _ v cb e e na n a l y z e dt l l e o r e t i c a i l y ，s u c h 硒t i l e c h a 豫c t e r i s t i c so fo 唱a n p i p e 托s o n a t o ri i lc r e a t i n gp o w e rs r cw a t e rj e t ，t i 圮n o w c h a r 2 蛐r i s t i ce q u a t i o no ft h en o z z l e 锄dt l l ec a l c u l a t i o nf o m u l 弱d e t e r r i l i i l i n gt i l el e n g t t lo f 锄r e s o n a 幻r t h ep h y s i c a lm o d e l0 fo 唱a i l - p i p er e s o n a t o rh a sb e e nb u i l tt l l a tb 鹤e do n c o n c a t e n a t e dd i f i e r e n td i 锄e t e rh o m o g e n e o u sp i p e s i th a sb e e ng i v e nt h a tt l l en u m e r i c m s 0 l u t i o nm o d e lo ft ：h ei l a 仰试毹q u e n c yo fa l lo r g 觚一p i p er e s o n a t o rm a ti n c l u d e ss e v e n u n k n o w nv 撕a b l e sa n ds e v e ne q 似i o 粥t h ef 0 咖u l 觞d e t e m l i i l i n gt l l ei l 乏m 砌f k q u e n c yo f a no r g a n - p i p ei s o n a t o rh a v e b e e nd e r i v e d b 淞e do nt h et h e o r y 绷【ds i m u l a t i o n 蚰- l d y t t l ec h a r t e r i s t i ce x p e r i m e n to fs r cw a t e r i e ti sc a r r i e do u tt h a ti n c l u d e st h em e 缎u r e m e n to ft l l ev i b r a t i o no fn o z z l e 锄dt a 唱e t ，t 1 1 e m e a s u r e m e n to fw a t e rje ti m p a c tf o r c et 0t a 唱e ta n dv 撕o u sc l e a n i n ge f e c te x p e r i m e n t t h e p a r 锄e t e r s ，s u c h 弱n o z z l ed i 姗e t e r r e s o n a t o r l e n g mo ft l l eo 唱锄一p i p es r cj e tn o z z l e ， a 腩c tm eo c c u r i n go fs r cw a t e rj e ta i l dt h ee 毹c to fc l e 锄i n gh a v eb e e no b t a i n e d t h e c l e a n i n ga b i l i t yo ft l l es y s t e mh a v eb e e ni m p r 0 v e dg r e a t l yb yu s i n gs r cj e tn o z z l e ，s 0m a t i ti ss p e c i a l l yu s e f h lf o rm ec l e a n i n ge n g i n e e r i n gv e h i c l e s f i n a l l y b 嬲e do nt l l ep r i n c i p l e s o ft h ec o m b i n a t i o no ft 1 1 e o r y ，s i m u l a t i o n 锄de x p e r i m e n t sa n dt h ep r i n c i p l eo f 仔e q u e n c y m a t c h e d ，也ed e s i g nm o d e lo fs r cjc tn o z z l ei sg i v e ni n 血i sd i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：c a v i t a t i o nj e t ，c a v i t a t i o nn o z z l e ，s e l f - r e s o n a t i n g ，c l e a n i n gt e c l u l o l o g y o p t i m u m d e s i g l l 英文符号： 主要符号表 时间函数，截面积 管段中波的传播速度，当地声速 液体声速，单位管长的流容，比例系数 常数 谐振腔管径 射流直径 空化喷嘴进口直径 空化喷嘴出口直径 射流理论最大打击力 射流振荡频率 射流临界自激结构频率 空化射流打击力 当地的重力加速度 流体的位头 流体的压头损失 绝热指数 模数系数 特征管长 谐振腔管长 第i 段的长度 靶距 单位管长的流感 马赫数 谐振腔内的振荡模数 n l r n n u n n l m n 】m h z h z g g = 9 8 觚2 m m 彳 口 c c 坟 d 4 畋 ， 厂 厂 g g 日 只 k 工 岛 厶 岛 ， m 流体压头，液体的饱和蒸气压，理论功率等 空化射流的冲击力 空泡溃灭时的最大压力 临界压力 液体的饱和蒸气压 p a 滞止压力n 空拍溃灭时周围液体的静压力 p a 无限远处的液体压力 p a 射流压力，喷嘴压力和静压力 水声作用引起的的压力脉动 管路流量lmin 射流流量 射流理论流量m 3 s 空泡溃灭初期空泡内的气体分压 p a 空泡半径，单位管长线性流阻 空泡溃灭终了时空泡半径n u l l 空泡溃灭开始时空泡最初半径i 砌 水声波传播因子 第i 段水声波传播因子 管截面积 空化喷嘴斯特罗哈尔数 空化喷嘴临界斯特罗哈尔数 第i 段管截面积 第i 段管截面积 疲劳极限 衰减因子 第i 段波复频率 尸 忍 最e 只 b 昂 只 p q g 吼 吼 r 髟蜀 ， s & 巧 s 墨 母 s 墨 r 矿 v 矿 z z c z c l 希腊字母： 口 7 p p s 盯 吼 q f 国 热力学温度 空泡体积 流体流速，射流出口速度 水声作用引起的速度脉动 水声抗阻 特征水声抗阻 第i 段特征水声抗阻 空化喷嘴锥形夹角 气体绝热指数 液体的动力黏度系数 液体的密度 靶体介质密度 空化数 消失空化数 初生空化数 膨胀波到达射流中心线的时间 圆频率 k 蚓( m s ) k g m 3 k 咖3 l 叫( m s ) s 天津科技大学硕士学位论文 l 前言 水射流技术是一项涉及多种学科的应用型技术，包括流体力学、固体力学、材料 力学、机械原理和高压工程等多个专业学科。近五十年来，水射流技术发展迅速，日 益完善地为新型的清洗、切割、破碎工具，应用范围日益广泛。从具体应用来看，它 为我国的采掘技术展现了变革性的前景：为我国加工业、清洗业、除锈业、基础施工 业等领域增添了新的技术手段：从长远看，它将改变目前油井开采方法，改进油罐清 洗的方式，对石化工业也产生重大影响。因此，开展对射流技术的研究和应用，不仅 对促进我国科技进步有重要意义，而且对提高石化工业经济效益具有重要的影响【l j 。 反映水射流做功能力的标志主要有两个：有效功率和有效打击力。这两个指标由 具体反映到两个参数上，即压力和流量。压力和流量两个参数的作用是互补的，但又 不能相互替代。也就是说，对于一个特定的作业目标，必须要有一定的射流压力，在 此基础上，流量越大其效率也就越高。 为了提高水射流的冲蚀能力及效率，目前对于水射流的研究技术路线主要有两 条：一是研究高压和超高压水射流的切割、破碎系统，依靠提高压力等级的方式来提 高水射流的效率，拓展其应用领域，如开发超高压柱塞泵和增压器等；二是研究新型 高效射流，以实现在低压或中压条件下完成切割、破碎、除锈的任务。 在早期的水射流研究工作中，国内外专家研究的重点主要是第一种技术路线上， 而且也开发出了许多实用的产品，产品技术含量不断提高。但随着压力等级的日益提 高，对高压密封的要求越来越苛刻，制造成本也大幅度增加。据估算，对于国产的大 于1 5 0 m p a 的水射流装置，每千瓦功率的成本核算高达一万元。这导致高压、超高压 水射流装置难以进入普遍应用阶段。 二十世纪八十年代后期，设计者开始从射流的形式、喷嘴的设计等途径着手寻找 提高射流效果的方法，希望在满足工程要求的前提下，尽可能地降低射流工作压力。 随着研究和实践的深入，许多新型的高效射流技术相继出现，如空化射流( c a v i t a t i o n j e t ) 、高分子减阻射流和磨料射流( a b r a i v ew a t e rj e t ) 等，射流的形式也从单一的 定压射流发展成多孔射流、磨料射流、空化射流以及脉冲射流( p u l s ej e t ) 和打击射流 ( p e r c u s s i v ej e t ) 【2 1 等。 新型射流型式的出现促进了水射流技术的蓬勃发展。在这些新型的射流当中，自 激振荡脉冲射流、磨料射流和空化射流被认为最具有发展应用前景。自激振荡脉冲射 流是一种典型的高效射流，它在清洗、切割方面的高效率，特别是淹没条件下在石油 钻井方面的潜在优势受到了研究人员青睐。 自激振荡脉冲射流是利用流体动力学、水声学、流体共振学和流体弹性学等原理 发展起来的一种新型高效脉冲射流形式，通过自激即不需要外加激励源，靠流体自身 内在特殊的流体结构中产生自激振荡，将连续水射流变为振荡脉冲水射流，它兼有脉 l 前言 冲射流与空化射流的特点，因此成为近三十年来国内外许多学者研究的世界前沿性课 题，历届的水射流会议都有学者的研究报告。其中以重庆大学廖振方教授、西南石油 学院的廖荣庆教授、石油大学的沈忠厚教授及美国流航公司的v e j o h i l s o n 和a e c o 衄 等学者的研究最受关注。 2 天津科技大学硕士学位论文 2 绪论 2 1 水射流技术概述 2 1 1 水射流技术 水射流技术是通过压力发生装置使作为介质的水获得巨大的能量，再用一种特定 的流体运动方式，从一定形状的喷嘴以很高的速度喷射出来，形成能量高度集中的一 股水流。 高压水射流技术能够脱颖而出，是与其本身的许多特点和优势紧密联系的。它不 仅与水本身所固有的性质有关，也与高压水的力学作用有着密切的联系。水本身固有 的性质包括水的化学作用、溶解作用和冷却降温作用，给水射流施加一定的压力后， 就充分表现出了其力学作用，如破碎、剥离、切割、输送和清洗等作用。 2 1 2 水射流技术的特点 多年来，人们根据科研、生产和实践经验，总结出了水射流技术的特点主要有： 1 工作介质低廉。水射流的工作介质是水，不仅容易获取而且成本低廉； 2 安全卫生。其主要工作介质是水，工作时不产生火花，利用机械手可以在人 不能靠近的危险环境下工作，如清除核反应堆的混凝土掩体和清洗有毒、易 爆的容器等，而且一般不会带来环境污染，运行安全可靠； 3 工作机件容易实现自动控制。工作压力虽然高，但由于采用了液压控制，所 以整个系统就显得结构非常简单便于操作，同时也易于实现微机自动调节和 控制。而且，由于水射流机构具有喷头体积小、后坐力小、移动方便等特点， 便于实现光控、数控或机械手控制： 4 体积小、高效灵活。由于水射流整套装置及工作机构体积小，效率高，运转 灵活方便，且可以装在汽车上进行远距离野外作业； 5 多功能加工。可以利用高压水射流技术来进行多种加工作业，如清洗、切割、 钻孔、铣削、磨削、粉碎等多种形式的加工，并且能够保证一定的加工质量； 6 切口窄而整齐。用水射流切割物料时，水射流对切割物的作用力集中在射流 喷射方向，其横向分力很小。因此，切口窄而整齐，可以对物料进行精密切 割和成形加工； 7 能降温、除尘和延长截齿寿命。水射流用在煤矿采掘机上，除参与切割提高 采掘能力外，还可以冷却和润滑截齿，减少磨损，提高截齿寿命。同时，还 能降低采掘工作面的粉尘，实现无火花切割，从而为煤矿采掘工作提供一个 安全卫生的环境； 据报道，目前用水射流进行喷射树种造林己经取得了很好的效果，使造林、绿化 更加高效、快捷。 2 绪论 2 2 水射流技术研究的进展及现状 水射流技术最早出现在十九世纪中叶，在北美洲第一次使用水射流开采非固结的 矿床。后来，二十世纪五十年代初前苏联和中国利用水射流进行采煤( 称水力采煤) ， 在煤炭行业中用来开采急倾斜的煤层，但那时的压力并不高，能量也不太大【3 】。我国 应用水射流技术最早的是煤炭部，自1 9 5 6 年试验水力采煤之后，获得了长足的发展， 走在了世界水力采煤技术的前列。 二十世纪六十年代，大批高压柱塞泵和增压器的问世大大推动了水射流技术的研 究工作。当时，部分学者片面地认为水射流的压力越高越好，日本研究出1 7 0 0 m p a 的 增压器，前苏联和美国研制出1 7 0 0 m p a 的脉冲射流发生器。到二十世纪七十年代末， 水射流技术出现了一个新的方向，即从单一提高水射流的压力转向研究如何提高水射 流的威力，研制成功了高频脉冲射流、共振射流和磨料射流。这些射流的压力并不太 高，但它们的威力却大大高于相同压力的普通连续水射流【4 】。进入二十世纪八十年代， 磨料射流、空化射流、气水射流和自振射流的发展把水射流技术推向一个新的阶段。 与此同时，各国研究人员也开始对各种射流的基础理论和切割破碎机理进行系统 的研究。随着科学技术的发展，水射流技术日益完善地成为新型切割、破碎工具，其 独特的优点( 无磨损、无火花、降尘、能量集中等) 正逐渐被大众所接受，水射流技 术的应用范围也从采矿工业扩大到航空、航天、建筑、煤炭、交通运输、船舶、市政 工程、石油化工、机械、冶金、有色金属、电力、电子、铁道、林业、纺织、轻工业、 环保及医学等领域，越来越受到人们的重视【引。 水射流技术的出现及发展已有一百五十多年的历史，回顾水射流技术的发展概 况，大体上可以分为四个阶段： 1 第一阶段为探索试验阶段，时间是二十世纪六十年代以前，主要以研究低压 水射流采矿为主： 2 第二阶段为设备研制阶段，时间从二十世纪六十年代至七十年代初，主要研 制高压泵、增压器和高压管件，同时推广水射流清洗技术： 3 第三阶段是工业应用阶段，由二十世纪七十年代至八十年代初，主要特点是 大量的水射流采煤机、切割机、清洗机相继问世，并进行了工业试验和推广 应用，其应用也由采矿领域发展到清洗、切割等其它行业； 4 第四阶段是迅速发展阶段，从二十世纪八十年代至九十年代中，主要特点是 水射流技术的研究进一步深化，磨料射流、空化射流、自激振荡射流等新型 射流发展很快，许多产品己达到商品化，并出现了以水射流技术为核心的成 套设备，如前混合磨料射流除锈成套设备、高压水射流钢管内磨机、靶式和 对撞式高压水射流粉碎机、大地水刀( 高压水射流切割机床) 等。 从对高压水射流技术的学术研究来看，为了便于沟通、交流、合作，国际上先后 成立了英国流体研究公司( b h r g ) 、日本水射流技术协会、美国水射流技术协会 ( a m e r i c 觚w a t e rj e t1 k h n o l o g ) ，a 心s 0 c i 撕o n ) 等行业组织，主办刊物有射流新闻( j e t 4 天津科技大学硕士学位论文 n e w s ) ，水射流技术国际期刊( i n t e m a t i o n a lj o 啪a lo f w a t e rj e tt e c h n o l o g y ) 等。美 国水射流技术协会组织编写了推荐实用高压水射流设备使用手册、高压水射流 技术基础与应用等书1 6 j 。 自1 9 7 2 年英国流体力学研究会( b h r g ) 组织了第一次国际水射流切割技术会议 后，以后每两年举行一次。1 9 8 1 年美国水射流技术协会( a w j t a ) 成立，也是每两年 召开一次会议。美国水射流技术会议，从第一届开始就是国际性的。日本水射流技术 协会1 9 8 3 年成立，以后定期召开水射流技术讨论会和展览会，并邀请国外水射流技术 专家参加会议。国际水射流协会于1 9 8 7 年成立，定期出版自己的正式刊物国际水射 流杂志，并已组织召开了5 次环太平洋国际会议。国内也成功地举办了九届全国水 射流会议。这些会议论文和其它有关水射流理论、应用的研究文献累计多达数千篇， 充分反映了水射流技术的发展状况。这些国际会议大大推动了世界各国水射流技术的 研究与发展，这些研究工作一般可概括为： 1 高压水射流的理论研究及设计计算。包括水射流的流场结构和动力特性、气 液两相射流、固液两相射流、气液固三相射流的理论计算，高分子减阻射流 的理论分析等。 2 高压水射流已经从实验室的原理性试验、可行性研究进入工业性试验阶段， 其中相当多的研究成果已转化为产品。 3 从普通水射流技术研究，派生出多种射流技术的研究，如脉冲水射流、空化 射流、磨料水射流、自激振荡脉冲射流等。 水射流作为流体力学的重要分支，涉及流体动力学、多相流理论、空化与空蚀理 论、岩石破碎力学、水声学、机械学、流变学、爆炸动力学、材料科学等众多相关学 科理论。高压水射流技术己趋于标准化，研制、生产、使用已成良性循环，产业化与 商品化己经形成。 我国水射流技术发展也比较快，国内开展水射流技术交流的学术活动也较多，从 1 9 7 9 年起，每两年召开一次全国性的水射流技术讨论会，至今已举行了1 0 余次。1 9 8 7 年在北京组织召开了第一届环太平洋国际水射流技术会议，并且几乎在每届相关的国 际学术会议都有中国学者参加。1 9 9 5 年成立了中国劳动保护科学技术学会水射流技术 专业委员会，为发展我国的水射流技术起到了巨大的推动作用。 我国的矿业、石油、航空、冶金、电力等行业对高压水射流技术的研究与应用是 十分积极的，众多学者也为水射流技术作了大量的工作，并取得了许多较高水平的成 果。我国较早的关于水射技术的讲义是煤炭工业部于1 9 7 9 年9 月由高压水射流科技情 报中心站出版的高压水射流新技术，并于同年创办了自己的专业刊物高压水射 流。八十年代，其中的文章以译文为主，九十年代以我国学者的研究文章为主，向 国内系统地介绍这门新技术，1 9 9 5 年停刊。第一本教学用书是】9 9 2 年8 月中国矿业大 学出版社出版的由孙家骏编著的高压水射流切割技术。此后，1 9 9 3 年1 0 月煤炭工 业出版社出版了由崔漠慎和孙家骏主编的高压水射流技术，1 9 9 8 年3 月石油大学 5 2 绪论 出版社出版了由沈忠厚等著的水射流理论与技术，1 9 9 8 年8 月机械工业出版社出 版了由薛胜雄等编著的高压水射流技术与应用【7 1 。此外还出版了实用喷射技术 等专著，以及射流技术与切割应用、流体射流技术基础与应用、喷射器、 高压水射流译文集等译著。 目前，我国从事水射流技术研究的高校和单位有：重庆大学、石油大学、中国矿 业大学、焦作矿业学院、淮南矿业学院、黑龙江矿业学院、西安矿业学院、东北大学， 北京科技大学、西南石油学院、江苏工学院、武汉工业大学、南京理工大学、广东工 业大学、上海机械化学院、大连理工大学、华南理工大学、西北工业大学、大庆石油 学院、南京大学、华东工业大学、上海交通大学、武汉水利电力学院等。 在工业应用上，目前，水射流尚有一些有待解决的问题，如与机械切割相比，消 耗比能高；一些水射流部件( 如超高压泵、旋转密封、耐磨喷嘴和高压管件等) 的技术 还不太成熟等。在理论上，也有许多问题有待于进一步明确，如自激振荡脉冲射流理 论、空化原理等。 2 3 水射流的分类 水射流的种类很多，分类方法也不同。按水射流介质与射流周围介质的密度比来 分，水射流可以分为淹没射流和自由射流；按水射流的水力学特性来分，水射流可以 分为定常射流和非定常射流；按水射流对物料的施载特性来分，水射流可以分为连续 射流、冲击射流和混合射流三大类。根据技术特征可将水射流分为五大类： 1 空化射流。这种射流利用水力机械“汽蚀 的原理，在喷嘴出来的水射流内 诱发含有空气( 或水蒸汽、混合气体) 的初生空泡，适度地控制靶距，使空 泡发展长大，当射流冲击到靶材表面( 或附近) 时，发生溃灭，从而使靶材引 起汽蚀破坏，以达到清洗、切割或破碎物料的目的。 2 脉冲射流。又称水炮，是通过一定的装置，将动力源提供的能量贮存起来， 间断地传递给水，使水获得的巨大能量经喷嘴射出，形成类似于炮弹的水团， 脉冲射流具有很大的冲击作用瞪j 。 3 磨料射流。磨料射流是在高压水射流中加入固体颗粒而形成的，工作介质不 完全是水，其中加入了一定粒度和比例的固体颗粒，以提高其切割、破碎能 力，这些固体颗粒称为磨料。根据介质加入固体颗粒的方式，分为后混合磨 料射流和前混合磨料射流。前者磨料是在射流形成之后加入的，因此磨料与 高压水很难充分混合，不能把高压水的能量充分有效地传递到固体颗粒上， 所以所需的射流压力较高，就切割而言，一般在1 5 0 m p a 以上。后者磨料与高 压水在磨料罐中初步混合，使磨料处于拟流体的流化状态，然后在高压输送 管内与高压水混合，再通过喷嘴加速使磨料获得更大的能量。因此，前混合 磨料射流改善了磨料与水介质的混合机理，使前混合磨料射流的能量传输效 率显著地提高。 6 天津科技大学硕士学位论文 4 纯水射流。工作介质完全是水，没有添加剂或磨料，这种水射流力学特性稳 定，主要用于实现精密切割和清洗。 5 调制射流。为了更好地发挥水射流的冲蚀作用，在水射流从喷嘴喷出之前， 用各种方法或手段，使其压力或流量产生较小的波动，将高压水射流的能量 转化成为一系列的高频冲击，从而比稳定施载更能发挥水射流的作用。比较 典型的调制射流是自激振荡射流【9 j 。 2 4 空化射流技术研究的进展及发展 在自然的水体( 如海洋、江河、湖泊等) 中往往含未溶于水的微小气泡，通常称为 空化核或气核，其直径大约在l o 。5 l o o c m 之间。当水流经过速度较高、绝对静压等于 或低于水的饱和蒸汽压强的局部区域时，由于水的迅速蒸发和气体的少量析出，立即 形成一些充满蒸汽或气体的空泡。如果水流继续流动，压强将重新回升，蒸汽也会出 现凝结现象，使空化泡破裂并伴以剧烈的响声，这就是空化现象，它往往发生在液一 固的交界面处i l o 】。 对空化和空蚀现象的认识和研究可以追溯到十九世纪。十九世纪后半叶，随着蒸 汽机船的发展，发现螺旋浆转速提高到一定程度反而会使航行速度下降。1 8 7 3 年 r e y h o l d s 曾解释这种现象是因为浆和水之间高速相对运动，使螺旋浆上压力降低到真 空时吸入空气所致。1 8 9 7 年b 锄a b ysw 和p a r s o n sca 在英国“果敢号”鱼雷艇和几 艘蒸汽机船相继发生螺旋浆效率严重下降事件之后，提出了“空化”的概念，并指出 液体和物体间存在高速相对运动的场合就可能出现空化。1 8 9 6 年p a r s o 璐ca 建立了世 界是上第一个研究空化的小型水洞，并用闪频观测器观察空化现象。 1 9 1 7 年，r a y l e i 曲发表了题为“液体中球形空腔溃灭时产生的压力 的著名研究 论文【j ，他比较系统地提出了空化理论，建立了描述自由空泡运动的方程，对空化现 象的理论研究作出了重大突破，为近一个世纪以来的一切有关空化理论研究奠定了基 础。半个多世纪以来，人们致力于如何减轻和消除空化带来的危害的研究，取得了显 著的成果。在此基础上，p l e s s e t 进一步研究，得到了著名的r a y l e i 曲p l e s s e t 方程，形 成了空泡动力学的基础。 二十世纪初期，在水泵和水轮机中也相继出现了空化现象。二十世纪3 0 年代，高 坝的泄水建筑物也发生了空蚀破坏。因此，美国t h o m 弱ha 于二十世纪四十年代设计 并建造了减压箱，在减压条件下研究空化问题。近几十年来，随着科学技术的发展和 实验测试手段的进步，许多学者对空化和空蚀机理进行了广泛的研究，对空化起始测 试、空泡动力学、影响因素、空蚀强度、材料抗蚀性等的研究取得了大量的成果【1 2 。1 6 】。 但到目前为止，有关空化和空蚀的理论不够完善，不少研究成果还不能令人满意，许 多问题还有待进一步深入研究和探索。直到现在，船舶、水力机械和水工建筑中的空 化问题的研究始终占有重要地位。 除此之外，水中兵器、液体火箭泵、柴油机汽缸套等也都遇到了空化问题，造成 7 2 绪论 效率降低、材料剥蚀，并产生振动和噪声。但是，在进行流态显示、水力破岩和工业 清洗作业中，空化并不完全是有害的，而在化学工程、医药工程、空间工程和核工程 方面还是有应用价值的。自6 0 年代以来，人们认识到高压水射流中的空化现象有助于 加强清洗和破碎等作用【1 7 垅】。 六、七十年代，美国的k n a p p 】和h a 瑚j t t f 2 4 l 等人对空泡的初生、长大和溃灭的 机理进行了深入的系统研究，对空化与空蚀的机理有了较为深入的认识。七十年代， 随着水射流技术研究的进展，j o l l l l s o n 和k o 址等人将空化作用引入了水射流技术领域 【2 5 1 ，创造了新型的空化射流，随后人们对空化射流及其应用进行了较多的研究【2 6 。2 1 。 空化射流是人为地在水射流流束内产生许多空泡，利用空泡破裂所产生的强大冲击力 来增强射流的作用效果。 j 0 l l l l s o n 等人采用中心体喷嘴和转叶型喷嘴产生空化射流，并对空化的机理进行了 分析，得出以下结论：一是在射流中心必需形成一个低压区是产生空化现象的条件之 一；二是控制液体中的气核尺寸；三是液体在一定的温度条件下( 对于水，温度为 2 6 7 3 7 8 ) 可忽略其粘性和表面张力的影响；四是靶距对空化水射击流的冲蚀性能 影响很大：五是淹没状态下可得到更佳的冲蚀效果。 此后，许多学者探索了淹没条件下不同类型喷嘴和不同工作条件对水射流冲蚀性 能的影响。例如，l i c h t 啪、i c zal 设计了一种新型喷嘴，在淹没状态下使冲蚀性能提 高2 倍【3 3 1 。 为了加强射流的冲蚀能力，目前研究的重点转向于产生具有破坏力强的空化流 态，把空化射流引入钻井工程中去，需要克服高空化数下的有效空化问题。7 0 年代许 多射流动力学研究者就空气射流剪切层的大尺度相干拟序性结构进行了大量的实验 研究，在此基础上，八十年代初期由美国流体公司的j o l l i l s o n ve 和c o 曲af 等人提出 的一新型高效射流。1 9 8 4 年j o l l i l s o nve 等人用空气进行实验研究，发现一些根据流体 瞬变流理论设计的射流发生器可以诱发流体自持振动，调制射流剪切层，使之向大尺 度相干拟序性结构发展，而且空化起始数比一般非自激射流低许多。他们利用水声学 的方法，率先研制出了一种新型自激振荡空化喷嘴，也称为声谐自激振荡空化射流喷 嘴。随后国内外研究者研究和开发出几种调制射流流场结构的射流发生器m 筇j ，多用 于煤矿开采、石油钻井等领域。 其中风琴管喷嘴和亥姆霍兹振荡腔喷嘴是最常见的两种结构形式。其原理是当流 体通过谐振管的出口收缩截面时产生压力激动，这种压力激动反射到入口处与来流的 压力脉动叠加形成驻波，当激振频率与射流本身的频率相匹配时就产生共振，使射流 变成高强度的断续涡环流，从而产生空化。这种大结构的断续涡环流和高强度的压力 振荡使其在常压下产生更强的空化射流，大大提高清洗作用和冲蚀能力【蚓。与一般空 化射流相比，即使在很深的井底( 数百米至数千米深) 这种喷嘴也能产生空化射流， 而且具有强烈的空化作用。 法国b 羽e nc 和c h o l e th 在室内模拟钻井条件试验表明，用高空化数喷嘴在深井 8 天津科技大学硕士学位论文 围压条件下有可能空化，而且有围压的环境对增加空化冲蚀效果有促进作用。我国石 油大学的沈忠厚教授也从八十年代后期开始研究自激振动空化射流【3 7 l ，经过多年努力 取得了可喜的进展。他对自激空化射流的冲击压力特性及冲蚀岩石效果进行了试验研 究，其结果表明风琴管喷嘴和亥姆霍兹振荡腔喷嘴具有很强的振荡效果，其中风琴管 喷嘴的振荡效果好、破岩能力强，最优喷距为喷嘴直径的8 1 2 倍。他还在涡旋的扩散 运动理论的基础上对自激振动射流进行了分析，提出由自振腔喷出的是一系列孤立的 涡旋，并在试验与理论分析的基础上设计了新型自振射流喷嘴【3 引。 重庆大学的廖振方教授在空化射流研究独树一帜，即所谓“自激脉冲空化水射 流 ，兼有自振空化射流和自振脉冲射流的特点，利用高速水射流在喷嘴周围造成负 压的特点，在自激振动脉冲射流装置上开一些斜孔，形成类似射流泵的装置，用它来 产生自激振动空化射流【3 9 舯】。他与西南石油学院的廖荣庆教授合作，把自激振荡脉冲 空化射流的研究成果应用到辅助牙轮钻井中，现场实验取得了平均机械钻速、单只钻 头进尺分别提高3 5 5 和6 7 以上的优秀成果【4 ，1 9 9 3 年获得了国家科技进步二等奖。 为了克服淹没射流有效靶距范围小、非淹没空化射流易出现“通气”现象的缺点。 我国华东工业大学的胡寿根教授也对人工淹没射流进行了研究1 4 2 】。人工淹没射流采用 同轴重叠喷嘴结构，使内喷嘴的高压水与外喷嘴的环形低压水的界面之间形成强烈剪 切区而诱发大量空泡。试验表明，人工淹没射流大大提高了淹没射流的冲蚀能力和扩 大了其有效靶距的范围。 上海交通大学、大连理工大学、北京科技大学、西北工业大学、华南理工大学等 高校对水射流、空化射流理论及应用也做了较多的研究工作【4 3 。5 2 1 。 此外，由于超声医学、声化学及非线性声学的迅速崛起，对声空化的实验与理论 研究以及对超声空化的应用研究又形成了超声学基础研究中的一个新热点。人们对超 声空化效应及其理论进行了研究【5 3 粕】，并开始将超声空化用于清洗除污等方面【6 1 击3 1 ， 取得了较好的清洗效果，如加拿大的v i j a ymm 和h 抓，d ，l e 谢c zbm 等学者通过压电方 法产生超声空化，进而达到清洗的目的1 6 4 舶j 。 据报道，我国最近已经研制并生产出了基于超声产生空化效应，进而通过空化产 生的强大冲击力进行清洗的超声清洗洗衣机，能够实现环保、高效的洗衣效果。 华南理工大学的学者对超声波作用下纤维素纤维结构与性质进行了研究，认为超 声波在水纤维素的纤维体系中的超声空化作用及其产生的次级效应是纤维素超 分子结构发生变化的主要原因。 2 5 本课题研究的意义与主要内容 2 5 1 本课题研究的意义 水射流清洗能克服化学清洗对环境的污染，在很多大中型企业中起着骨干清洗作 用，潜在市场巨大，发展前景光明，但还有一些问题有待于进一步研究。例如，在水 射流对车辆清洗方面，工程车辆多为野外作业，灰尘、污溃多，易于锈蚀，难以清洗， 9 2 绪论 因而人们一直在寻找一种物理的、高效的、低成本、耗水少的清洗方法，而从高压水 射流技术发展而来的空化射流清洗技术，可极大地改善清洗机的清洗能力，是一种具 有广阔应用前景的有效方法。 空化射流是采用空化喷嘴在水射流中产生大量气泡，当气泡被冲击到被清洗表面 产生的高压驻止区破裂时，由于气泡破裂的能量聚集在一个微小的区域内，所产生的 集中应力较大，使得空化射流比稳定的普通射流在相同的压力和流量下冲蚀能力更 强。空化射流清洗在较低的压力下具有较强的冲蚀性能，因此，相对连续射流耗能少。 利用空化清洗技术清洗将可极大地减少由于化学清洗或其它清洗方法所带来的 对环境的污染及对被清洗件的腐蚀。在很多场合，还可用水剂代替有机溶剂进行清洗， 或降低酸或碱的浓度。在一些难以清洗并有损人体健康的场合，如核工业及医疗中的 放射性污物等，就可以使用空化清洗【6 7 。7 0 l 。 空化清洗技术对质地较硬、声反射强的材料，如金属、玻璃、塑料等的清洗效果 较好，并适于对野外作业工程车辆、矿山管道、工程机械的清洗。特别要指出的是， 空化清洗技术可以极大地减少水的用量。 空化清洗技术可减少化学品用量，用在工矿企业其优点是：节水、省时、省力、 高效、低成本、环保、装置简单、无腐蚀、清洗效力大、清洗速度快、质量高、不损 坏被清洗物的基体、易于实现遥控或自动化、操作容易掌握控制、安全可靠、特别适 于表面形状复杂的工件等优点，如在精密工件上的空穴、狭缝、凹槽、微孔及暗洞处 以及卷状或1 8 0 紧弧拐弯管道等处，通常的洗刷方法难以奏效，利用空化清洗却可 得到良好的清洗效果。 空化清洗技术具有极大的优越性及广阔的发展空间，然而，空化被认为是二十世 纪未解决的科学难题之一。尽管国内外许多学者对空化射流进行了大量的研究，在某 些领域的应用也取得了初步成功，但人们对空化射流的认识还有待进一步深化，国内 外对空化清洗技术的研究与应用还不够广泛。例如，对于自激振动空化射流的研究还 存在两个主要技术难题：一是自激振动空化射流喷嘴设计理论是一种半经验的理论， 无法实现喷嘴的优化设计；二是这种射流的频率特性的调制机理不清楚，无法有效地 控制，进一步提高其工作效率。 可见，对自激振动空化射流及空化清洗的机理、规律进行研究，找出喷嘴设计模 式，在更深层次上获得更多的信息具有深远的现实意义。 2 5 2 本课题研究的主要内容 本文以自激振动空化射流在清洗中的应用为研究对象，以设计最优结构参数自激 振荡空化喷嘴为目标。在对空化清洗机理、自激振荡空化射流原理及特性等理论研究 的基础上，研究自激振荡空化喷嘴的设计模式、频谱特性、清洗效果等，为自激振荡 空化喷嘴的设计及在清洗中的应用提供理论依据，具有一定的实际应用价值。 l o 天津科技大学硕士学位论文 3 空化射流清洗的机理及特点 空化是一种非常复杂的流动现象。各种水力机械、液压元件以及水工建筑物都遭 受了由空化引起的空蚀破坏，空化现象如果出现，轻则使机械的效率显著降低，出现 振动和噪音，重则使水力机械的零件被冲蚀破坏，空化和空蚀现象对物体的破坏作用 是十分强大的。近百年来，国内外许多学者都在致力于空化现象及其预防措施的研究。 本章应用空泡动力学、空化与空蚀等理论，通过对空化泡破裂时压力的推导及对空化 射流冲击压力的理论分析，研究空化射流清洗的机理，分析空化射流清洗的特点。 3 1 空化射流原理 空化射流的的原理是从喷嘴出来的射流在其内部诱使生成充满水蒸汽的空化泡， 适当调节喷嘴结构与冲击物体表面距离，使这些空化泡有长大、压缩过程，当射流冲 击到物体表面时空化泡破裂，产生微射流冲击和激波冲击，在物体表面或其附近形成 高压区。由于空化泡破裂时产生的巨大能量集中作用在许多非常小的面积内，从而在 许多局部区域产生极高的应力集中，造成对被冲击物表面污垢的冲蚀破坏。正是这种 局部压力增高和能量集中作用在物体表面的冲蚀效果使空化射流在同泵压和流速下 优于非空化射流。即在相同泵压和流速条件下，空化射流的这种局部压力放大作用使 其清洗、切割等效果大大优于非空化射流。 空化泡破裂是一个瞬间的动力过程，在局部产生极高的瞬时压力，当破裂发生在 固体表面附近时，水流中不断破裂的空化泡所产生的极高压力对固体表面造成反复的 冲击作用有助于对固体表面的清洗，此时在空化泡作用下固体表面的振动呈现不规则 的高频振动。 空化射流的冲蚀过程比较复杂，目前还不能准确地描述其全过程及其冲蚀力大 小，只能借助某些简化模式进行研究。因此，本文在对空化泡的破裂压力进行分析的 基础上，对空化射流中的单个空化泡的形成，发展和破裂的机理进行研究与分析。 3 2 空化泡的形成与发展 空化射流是人为地在水射流流束内产生许多空泡，利用空泡破裂所产生的强大冲 击力来增强射流的作用效果，因此，空化泡的形成、长大和溃灭过程是空化射流研究 的核心。一般把液体内部的局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸汽或气体的 空穴( 空泡) 的形成、发展和溃灭的三个过程，称为空化。空化现象的全过程的每一 个阶段或子过程都取决于系统内部动水压力的变化。 通常情况下，液体内部含有大量微气核，气核中含有不溶于液体的气体( 又称永 久性气体) 和液体蒸