APP下载

水下自激吸气式脉冲射流装置冲击性能试验

2016-01-28刘新阳高传昌刘玉龙马文良解克宇胡亚州

振动与冲击 2015年24期
关键词:吸气试验

刘新阳, 高传昌, 刘玉龙, 马文良, 解克宇, 胡亚州

(华北水利水电大学 电力学院, 郑州 450045)



水下自激吸气式脉冲射流装置冲击性能试验

刘新阳, 高传昌, 刘玉龙, 马文良, 解克宇, 胡亚州

(华北水利水电大学 电力学院, 郑州450045)

自激脉冲射流装置在非淹没条件下冲击性能较好,且装置腔内存在空化气囊,冲击力具有明显的脉冲效果[1-3],但在水下(淹没条件)工作时,装置的冲击性能较差,而且围压的升高,腔内空化越来越难产生[4],脉冲效果不明显。近几年,国内外学者通过试验和理论证明了在水射流中加入气体后形成水气射流可以明显提高水射流的冲击性能[5-9]。笔者在自激脉冲射流装置研究的基础上提出了一种新型水下自激吸气式脉冲射流装置,它通过在装置腔体布置吸气孔,当装置内部压力低于外部大气压时,空气会通过吸气孔自吸进入腔内,充分混合后形成水气射流,前期试验研究证明了该装置在较小靶距下,靶心冲击力比不吸气条件得到了明显地提高[10]。为了对水下自激吸气式脉冲射流装置的冲击性能进行全面的了解,在两种不同腔长和腔径以及吸气和不吸气条件下,对下喷嘴直径、围压和靶距对装置吸气量、冲击力以及冲蚀效果的影响进行了分析,确定装置的最佳冲击射程,为装置的工程应用提供理论依据。

1试验

参考文献水下自激吸气式脉冲射流装置如图1所示,吸气孔共4个,沿周向均匀布置,试验和测试系统见[10]。装置采用的结构参数如下:上喷嘴直径取10mm;下喷嘴直径对装置的冲击力影响较大,其大小根据试验结果确定;腔径和腔长取85 mm、55 mm和120 mm、70 mm两种配置;靶距为下喷嘴出口与靶盘之间的垂直距离取60、80、100、120、140、160 mm,靶盘上的压力测点分布如图2所示,压力测点共5圈,每圈布置4个测点,测点上布置气动接头且外接测压管,测压管与压力传感器连接,传感器指标在0-1 MPa范围。受加工工艺的和气动接头尺寸的限制,靶盘测压孔的内径取4 mm,为了保证气动接头与靶盘连接的紧密,靶盘厚度取10 mm。不吸气和吸气工作压力均为2.2 MPa。试验选用围压为0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa和0.6 MPa,分别相当于水深20 m、30 m、40 m、50 m和60 m。对上述装置的结构参数、靶距和围压进行试验,试验过程中测量装置吸气量并采集靶盘压力测点的冲击力,采集时间60 s并取平均值作为每个测点的冲击力,将每圈4个测点的冲击力进行求和并平均,得到该圈的冲击力。试验拟采用石膏作为冲蚀样本,为了保证冲蚀效果的准确性,每次冲蚀石膏的硬度值保持相同,且冲蚀时间均为5 min,采用卡尺测量冲蚀深度,测量深度为样本中心距表面的距离,填水法测量冲蚀表面积和冲蚀体积。

图1 自激吸气式脉冲射流装置Fig.1 Self-excitation inspiration pulsed jet equipment

图2 靶盘上压力测点分布(单位:mm)Fig.2 Pressure measuring points distribution on the target plate

2试验结果与分析

2.1下喷嘴直径对装置吸气量的影响

将同围压下每个下喷嘴直径在不同靶距测取的吸气量进行求和并平均,得到下喷嘴直径对装置吸气量的影响,如图3所示。由图3(a)可以看出,对于腔径85 mm和腔长55 mm的装置,下喷嘴直径取14 mm时,围压在0.2~0.4 MPa之间,吸气量基本不变化,围压在0.5~0.6 MPa之间,吸气量开始下降。下喷嘴直径取16 mm时,吸气量最大,随着围压的增加,吸气量在10.50~9.22m3/h之间变化。下喷嘴直径取18 mm和20 mm时,吸气量变化范围分别为9.61~8.42 m3/h和9.64~7.88 m3/h,吸气量相差不大。下喷嘴直径22 mm时,围压较低时吸气量较大,随着围压的增加,吸气量下降很快,由10.27 m3/h变为4.82m3/h,围压较高时吸气量较小。由图3(b)可以看出,对于腔径120 mm腔长70 mm的结构,当下喷嘴直径在16~20 mm之间时,随着下喷嘴直径的增大,吸气量增大,当下喷嘴直径取22 mm时,吸气量随着围压的增加下降较快。

图3 下喷嘴直径对装置吸气量的影响Fig.3 Influence of under nozzle diameter on inspiration capacity

2.2装置最佳冲击射程的分析

由2.1小节分析可知下喷嘴直径14 mm和22 mm时,吸气量随围压变化的规律较小或较快,所以选择了下喷嘴直径16 mm、18 mm和20 mm进行冲击射程分析。图4给出了围压0.6 MPa时不同靶距下靶心和各圈的冲击力,可以看出,在0.6 MPa围压条件下,两种装置各下喷嘴直径的冲击规律是类似的,在靶心和第1圈位置处,随着靶距的增大冲击力呈现下降的趋势,而且下降幅度较大;第2圈和第3圈,随着靶距的增大,冲击力呈上升的趋势,但上升幅度较小;第4圈和第5圈,由于半径的增大,靶距对冲击力值影响差距很小。当靶距为60 mm时,冲击力下降较快,曲线变化最陡,从第2圈到第5圈,冲击力基本不变化,说明了该靶距下装置出口射流还没有完全扩散;靶距增大时,靶心冲击力下降,第2圈至第4圈,冲击力缓慢上升,曲线变化越来越平缓,当靶距达到160 mm时,曲线最为平缓,此时随着下喷嘴直径的增大,靶心处冲击力与第1圈相近,甚至小于第1圈,说明射流冲击力已经充分地衰减。由此可知,对于水下自激吸气式射流装置来说,存在一个最佳冲击射程,既可以保证靶心和第1圈的冲击力较大,也可以保证第2圈和第3圈冲击力不至于过小。对于腔径85 mm腔长55 mm的装置,下喷嘴直径16和18 mm时最佳冲击射程为80~120 mm,下喷嘴直径20 mm时取80~100 mm;对于腔径120 mm腔长70 mm的装置,下喷嘴直径16~20 mm最佳冲击射程均取80~100 mm。对于0.2~0.5 MPa的围压,冲击力的变化规律与0.6 MPa非常类似,限于篇幅,这里不再叙述,具体的最佳冲击射程范围见表1。

表1 装置最佳冲击射程(单位: mm)

图4 靶距对装置冲击力的影响Fig.4 Influence of standoff distance on impact power

图5 装置不吸气和吸气冲击力的比较Fig.5 Comparison of impact power under inspiration and non-inspiration e

2.3装置不吸气和吸气冲击力的比较

为了比较装置不吸气和吸气冲击力的分布规律,选取了靶距100 mm和围压0.3 MPa、0.6 MPa条件下吸气和不吸气的冲击力进行分析,如图5所示。可以看出,装置吸气后靶心和第1圈的冲击力得到了明显地提高,而第2圈到第5圈,吸气后冲击力则下降,且随着半径的增大,下降幅度越来越小,与不吸气相比,自激吸气式脉冲射流装置在水下具有明显的聚能效果,说明了下喷嘴出口处中心速度大于不吸气,原因在于加气后气体引发减阻所致。

2.4下喷嘴直径对冲击力和冲蚀效果的影响

由前面分析得到了装置下喷嘴直径对吸气量和冲击力的影响,通过比较发现腔径120 mm腔长70 mm装置的吸气量和冲击力均小于腔径85 mm腔长55 mm装置,所以下面主要分析腔径85 mm腔长55 mm装置下喷嘴直径对冲击力和冲蚀效果的影响,如图6和图7所示,图6给出了靶距100 mm下喷嘴直径对靶心及各圈冲击力的影响,由于第4圈和第5圈冲击力相差很小,这里不列出。可以看出,不同围压下靶心和第1圈的冲击力随着下喷嘴直径的增大呈现下降的趋势,且第1圈的下降幅度比靶心处平缓。围压在0.4~0.6 MPa之间时,下喷嘴直径18 mm第2圈和第3圈的冲击力最大,当围压在0.2~0.3 MPa之间时,下喷嘴直径20 mm冲击力最大。

图6 下喷嘴直径对装置冲击力的影响Fig.6 Influence of under nozzle diameter on impact power

图7给出了靶距100 mm和围压0.5 MPa下喷嘴直径对冲蚀效果的影响。冲蚀深度和冲蚀体积均随着下喷嘴直径的增大而减小,冲蚀表面积在下喷嘴直径18 mm达到最大,原因在于冲蚀深度主要取决于靶心的冲击力,下喷嘴直径增大冲击力减小;而冲蚀表面积则取决于射流整个冲击扩散范围,由图6(c)和(d)可知,下喷嘴直径18 mm在第2圈和第3圈的冲击力最大,导致其冲蚀表面积最大。

3结论

通过试验开展了水下自激吸气式脉冲射流装置的冲击性能的研究,得出以下结论:

(1) 下喷嘴直径和围压对装置吸气量影响较大,围压越高吸气量越小,下喷嘴直径取16~18 mm时,吸气量变化比较平缓。

(2)下喷嘴直径和围压对装置最佳冲击射程的影响较小,最佳冲击射程在80~120 mm之间。

(3) 装置吸气后冲击力具有聚能效果,引起聚能效果的原因为加气后气体引发减阻所致,但对装置内部气水两相流动结构尚不清楚,下一步需要开展对装置的内部流动特性的研究。

(4) 下喷嘴直径对靶心和第1圈的冲击力影响规律相同,但对第2圈和第3圈的影响规律有所差异。下喷嘴直径取16 mm时,冲蚀深度和体积最大,而下喷嘴直径18 mm时,冲蚀表面积最大。

[1] 王健,李江云,关凯,等.自激喷嘴多频脉冲效果的试验研究[J].工程热物理学报,2013,34(3):459-461.

WANG Jian, LI Jiang-yun, GUAN Kai, et al. Experimental study about multi-frequency pulse effects of self-excited jet[J].Journal of Engineering Thermophysics,2013,34(3):459-461.

[2] 王循明,焦磊,王乐勤.自激脉冲发生机理数值模拟及参数影响分析[J].浙江大学学报(工学版),2005,39(9):1450-1454.

WANG Xun-ming, JIAO Lei, WANG Le-qin. Numercial simulation of self-exicited oscillation pulsed jet and analysis of parameters influence[J]. Journal ofZhejiang University(Engineering Science) ,2005,39(9):1450-1454.

[3] 刘新阳,王松林,高传昌.自激脉冲射流装置参数对性能影响试验研究[J].振动与冲击,2012,31(24):112-114.

LIU Xin-yang, WANG Song-lin, GAO Chuang-chang. Effects of parameters of a self-excited pulsed jet equipment on its performance[J].Journal of Vibration and Shock,2012,31(24):112-114.

[4] 易灿,李根生,张定国.围压下自振喷嘴空化起如能力试验及应用研究[J].机械工程学报,2005,41(6):218-222.

YI Can, LI Gen-sheng, ZHANG Ding-guo. Laboratoryand field study of enhancing cavitation effect with self-resonating nozzle under ambient pressure[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2005,41(6):218-222.

[5] Jiang X, Siamas G A,Jagus K.Physical modelling and advanced simulation of gas-liquid two-phase jet flows in atomicationand sprays[J].Progress in Energy and Combustion Science. 2010,36:131-167.

[6] Hirota Y, Kanno I,Fujiwara K, et al.Damage-free wafer cleaning by water and gas mixture jet[J]. IEEE International Symposium on Semiconductor Manufacturing Conference Proceedings, 2005:219-222.

[7] Chillman A,Ramulu M,Hashish M. Water jet and water-air jet surface processing of a titanium alloy: A parametricevaluation[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,2010,132(1): 1-10.

[8] Momber A W.Concrete failure due to air-water jet impingement[J]. Journal of Materials Science,2000,35 (11): 2785-2789.

[9] 胡东,唐川林,张凤华.脉冲气液射流冲蚀特性实验分析[J].振动与冲击,2013,32(11):141-144.

HU Dong, TANG Chuan-lin, ZHANG Feng-hua. Erosion characteristic of a pulsed air-water jet[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013,32(11):141-144.

[10] 刘新阳,高传昌,赵礼,等.自激脉冲淹没水射流装置性能试验研究[J].水力发电学报,2012,31(5):297-301.

LIU Xin-yang, GAO Chuan-chang, ZHAO Li, et al. Experimental study on performance of self-excitation pulse submerged water jet equipment[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2012,31(5):297-301.

第一作者 刘新阳 男,博士,副教授,1979年3月生

摘要:为了研究水下自激吸气式脉冲射流装置的吸气量、冲击力和冲蚀效果,对两种不同腔长和腔径装置并结合不同下喷嘴直径在吸气和不吸气以及不同围压条件下的冲击性能进行了一系列试验研究。研究结果表明:围压和下喷嘴直径对装置吸气量的影响较大,围压越高吸气量越小,存在一个最佳下喷嘴直径范围;围压和下喷嘴直径对装置最佳冲击射程影响较小;与不吸气相比,装置吸气后靶心和第一圈冲击力明显增大,其它位置冲击力则变小,产生较好的聚能效果;不同围压下靶心和各圈冲击力随着下喷嘴直径变化规律是不同的;下喷嘴直径对装置冲蚀深度、冲蚀表面积和冲蚀体积等冲蚀效果的影响也是不同的。

关键词:水下;吸气;脉冲射流;冲击性能;试验

Impact performance tests of underwater self-excitation inspiration pulsed jet equipment

LIUXin-yang,GAOChuan-chang,LIUYu-long,MAWen-liang,XIEKe-yu,HUYa-zhou(School of Electric Power North China University of Water Resources and Electric power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:In order to study the inspiration capacity,impact power and erosion effect of underwater self-excitation inspiration pulsed jet equipment,a number of impact performance tests of two equipments with different chamber length, different chamber diameter and different under nozzle diameter in inspiration and non-inspiration conditions were conducted. The results show that the confining pressure and the under nozzle diameter are of great influence on the inspiration capacity. As the confining pressure increases, the inspiration capacity decreases and there exists an optimum range of under nozzle diameter. The confining pressure and the under nozzle diameter have slight influence on the best impact range of equipment. The impact powers at target center and around first lap increase significantly compared with those in the non-inspiration condition, so the equipment produces better shaped charge effect. The variation of impact powers at target center is different from that each lap along with the variation of under nozzle diameter. The influences of the under nozzle diameter on the erosion depth, erosion surface area and erosion volume are also different.

Key words:underwater; self-excitation inspiration; pulsed jet; impact performanc; experiment

中图分类号:TE248

文献标志码:A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.24.031

通信作者高传昌 男,博士,教授,1957年2月生

收稿日期:2014-10-13修改稿收到日期:2014-12-03

基金项目:国家自然科学基金项目(51309099)

猜你喜欢

吸气试验
吸气式高超声速飞行器耦合运动数值模拟
吸气式高超声速飞行器多参数灵敏度分析
CS95
510
驭胜S330
如何掌握歌唱训练中吸气与呼气之技巧
肺癌患者康复 做做呼吸操
C-NCAP 2016年第八号试验发布
试验
多穗柯扦插繁殖试验