结合水下注气系统的高压水射流清洗技术的研究

金成柱　缪　尧

潘华辰杭州电子科技大学,杭州,310018



结合水下注气系统的高压水射流清洗技术的研究

金成柱缪尧

潘华辰杭州电子科技大学,杭州,310018

摘要：为了有效扩大水下高压水射流清洗喷嘴的有效靶距，提出了一种结合水下注气系统的高压水射流清洗技术；设计了一套结合水下注气系统的高压水射流水下模拟实验装置，该装置通过水面高度控制和压力控制有效抑制了大流量水射流实验工况下的内部压力波动；计算并分析了在水深为10 m的水下清洗过程中，喷嘴外环流内的气液比对射流流场的影响。分析结果表明，增大喷嘴外环流中的气液比，可以有效地增大射流的喷射速度，研究结果为水下清洗实际作业提供了理论依据。

关键词：高压水射流；水下清洗；水下模拟实验；气液比

0引言

高压水射流清洗技术是从20世纪70年代迅速兴起的一种高科技清洗技术。随着水射流技术的迅猛发展，国内外对水射流的研究重点已从单一提高射流压力转向提高水射流的总体冲击效果。郭琦等[1]利用高压水射流清洗技术对涂层及不同硬度工件进行冲击试验时发现工件表面质量变化仅受水射流冲击环境的影响； Foldyna等[2]研究脉冲射流和铝块样品之间的相互作用后发现脉冲扇形射流对样品的冲蚀效果可以通过改变激励幅值、工作压力等参数来进行优化。Guha等[3]从实验、数值模拟、理论方面对水射流清洗过程进行了研究，结果表明清洗过程中的最优靶距为5D，其中D为喷嘴直径。

我国高压水射流清洗技术在水下设备清洗作业中的应用正处于发展阶段，在有关此方面的研究中存在以下三个问题：①为了获得良好的水下清洗效果，高压水射流发生装置需要给定比陆地上更高的工作压力(达到100 MPa的超高压)，这无疑增加了能耗、提高了设备门槛。②为了减少能耗、降低水射流发生装置的压力级别，目前国内研究机构的工作集中在空化水射流清洗技术方面，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。但是该技术的有效靶距范围只有毫米级别，如果超过这个范围清洗效果将会大大削弱，因此空化水射流清洗必须紧贴着水下设施表面才能发挥作用。③水下船舶附着物厚度往往达到厘米级别，而螺旋桨等部件还具有复杂的几何形状，这要求水射流喷嘴有足够大的有效靶距，并且水射流达到目标时要求仍然具有必要的冲击力。

基于以上水射流清洗技术存在的优点与待解决的问题,本文采用结合水下注气系统的高压水射流清洗技术[4],提出了实验室模拟水下清洗过程的构想,计算分析了在10 m水深条件下的淹没水射流清洗过程中，喷嘴外环流内的气液比(文中气液比是指外环流中气体质量流量占总流体质量流量的百分比)对射流流场的影响,为模拟水下水射流清洗过程提供了理论依据。

1结合注气系统的淹没水射流清洗原理

结合水下注气系统的高压水射流清洗技术的创新点在于高压水射流喷嘴的设计。其结构和工作原理如图1所示，喷嘴的结构中心为高压水射流内喷嘴(产生高压高速水射流)；在高压水射流内喷嘴外加一环形圆套形成外喷嘴，在环形圆套内部附加低速水流以形成人工淹没条件。为了有效降低高压水射流穿透阻力，扩大高压水射流的有效靶距范围，笔者利用注气系统将气泡注入到喷嘴外环圆套内，在低压水和气同时注入的条件下，外喷嘴喷射低压低速气液两相射流，从而使喷口与清洗目标之间形成低密度气液两相环境，高压高速水射流穿过气液两相环境到达水下清洗目标。

图1　结合注气系统的高压水射流喷嘴工作原理示意图

2淹没水射流清洗模拟实验装置

在实验室条件下,采用淹没水深直接模拟水下10 m甚至100 m或200 m的水深环境下的清洗过程是不实际的。1998年，蒋彧澄等[5]提出了通过改变背压条件，即利用空压机增加密闭水箱内部压力的方法，模拟高水深环境，建立了淹没空化水射流切割模拟实验装置，其实验结论也表明了这种方法的可实施性。本文依据Vijay等[6]的人工淹没条件下的水射流理论及上述国内实际研究成果，提出了恒水面恒水压控制的水下清洗模拟实验装置，如图2所示。水下清洗模拟实验装置的构成如图3所示[7]。从图2和图3可知，整个实验装置模型的工作原理分为两方面：

1.截止阀　2.减压阀　3.流量计　4.调速阀　5.空压机6.止推阀　7.空气蓄能罐　8.压力表　9.溢流阀10.固定板　11.清洗实验板　12.纵向滑移板13.喷枪及喷嘴　14.支撑杆　15.横向滑移板16.电机　17.进水阀图2　水下清洗模拟实验装置模型示意图

图3　水下清洗模拟实验装置构成图

(1)在实验水池中通过增压系统使水池压力上升到实验所需水深压力，在水池固定的气液分界面处连接两个溢流阀，并将溢流阀接口没入水面以下3 cm处，以保证气体无法从溢流阀接口处溢出。在清洗实验中，当喷枪向水池内连续注入大量的水使水池液面高度上升，从而导致水池压力增大时，为保证水池实验液面高度和实验压力恒定，本文根据溢流阀在系统中所起的溢流稳压作用，将高于水池实验液面和实验压力的水通过溢流阀迅速排出。

(2)将水射流喷嘴以及清洗实验板放入实验水池中，清洗实验板相对喷嘴前后移动，以此来调整距离;同时,喷嘴也可以通过控制装置相对实验板的水平横移来检测喷嘴移动条件下的冲蚀速度。水池外部的水射流发生装置和注气系统向喷嘴提供高压水流和气，并通过调速阀、减压阀等来控制输入量和输出量。另外，水池外部的PIV测量系统采用激光全息摄影分析技术，即采用数码相机、高速摄像机拍摄，PIV流体粒子分析技术等方法对气泡大小和流场进行测量。

在本实验中,实验水池采用1.2 m×1.2 m×1 m的耐高压钢化玻璃材质水箱;水射流发生装置采用德国HD9/50Pe高压水射流装置,压力在10～50 MPa之间可调,最高流量为900 L/h，可调;注气系统由空压机和调速阀等组成,其中空压机采用萨普全无油空压机W-400,工作压力为0.8 MPa,排气量为400 L/min;增压系统由空压机、止推阀、空气蓄能罐组成,并与注气系统采用同一台空压机，此处空气蓄能罐的作用是增加装置的气体容量，有效控制压力波动。另外，由于水射流装置的最大流量为15L/min，水池有2个溢流阀同时工作，故采用最大排水量为7.5 L/min的溢流阀[8]。

3淹没环境下的喷嘴流场分析

本文对喷嘴及其流场区域进行了网格划分，并通过对网格作总体加密和局部加密处理来进行网格无关性分析,结果表明,当网格数从48万增至200万时,随着网格数的增加，计算结果的变化很小。这说明网格数对计算结果的影响很小，可以认为50万的网格已达到网格无关，因此选取48万的网格作为计算网格。此外，由于本文研究的是淹没水射流，一方面，喷嘴外环流本身综合了气液两相流，该两相流的速度与内喷嘴高压水射流的速度并不相等，两者之间存在着动量交换；另一方面，在射流边界，射流工作介质(气水混合)与环境介质(水)之间也由于速度不均等因素而存在着剧烈的动量交换和紊流扩散，以上所述两个方面使得淹没水射流成为气液两相混合介质流。考虑到射流的多相性，本文采用多相流模型中的Mixture模型。 Mixture模型是一种简化的多相流模型，用于模拟各相有不同速度的多相流。

在仿真水下清洗的过程中,假设密闭实验水池中的环境压力保持10 m水深的压力不变,由于实验时清洗时间将控制在5 min之内，可以忽略整个水池与外界的热量交换，将整个水池视为绝热系统[5]。此次计算时外环流中的气液比分别取0、0.1、0.2、…、0.9共10个数值,通过分析计算结果来观察10 m水深下,外环流中的气液比对射流流场的影响。通过对计算出的10个速度云图分析得出，当喷嘴结构和射流进口速度一定时，不同的气液比下喷嘴的速度云图趋势是一致的,仅具体数值不同，即射流具有相似性[8]。因此本文选取外环流中气液比分别为0.2、0.5、0.8的速度云图表述其规律，如图4所示。

(a)气液比为0.2　　(b)气液比为0.5 (c)气液比为0.8　(d)B处放大图图4　气液比分别为0.2、0.5、0.8时的速度云图

从图4a~图4c的速度云图中可以看出,射流速度由大到小依次为:气液比为0.8时、气液比为0.5时、气液比为0.2时。因此,外环流中气液比越大,即注气量越大,射流速度越大，射流距离越长。这是由于喷嘴与水下清洗对象之间喷出大量空泡，使喷嘴的淹没环境成为气液两相状态，这种状态下水射流的阻力大大降低，从而提高了水下射流的靶距。

从图4d中可以看出,在内喷嘴伸缩段流体速度梯度大,速度迅速增加，变化明显:在流体离开喷嘴之后,流体速度场出现一个等速流核区。由图4a~图4c可以看出,随着外环流中气液比的增加,该等速流核区轴向长度变长；在等速流核区末端，射流速度迅速减小并趋向于外环流的速度。

图5为气液比分别为0.2、0.5、0.8时计算域轴线上的速度分布。从图5可以看出,在同一靶距处,气液比越大，射流速度越大；当靶距为100 mm、气液比为0.8时,射流速度均不小于100 m/s,且100 m/s的射流速度可以获得较大的射程，因此气液比越大,射程越长。这是因为外环流具有低压低密度的特质，随着气液比的增大,被卷吸并与射流一起运动的流体减少,由周围静止流体与射流掺混而相应产生的对射流的阻力也随之减小，故射流可以获得更大的速度。

图5　气液比分别为0.2、0.5、0.8时的速度分布

如图5所示,在接近内喷嘴出口处，轴线上的速度将达到300 m/s左右的较大值,随着流动过程的进行,射流将以该速度从喷嘴出口喷射,且该速度将会在某段距离上基本保持不变,即具有最大喷射速度保持性。

4结论

(1)由于水的不可压缩性和溢流阀的溢流稳压作用，溢流阀的接口位置决定了水面高度和水池压力,使水池在实验过程中保持实验所需的水面高度和压力。此外，在增压系统中增加空气蓄能罐可增加装置的气体容量，并有效控制压力波动。

(2)数值模拟结果表明，在水深为10 m的水下模拟环境中，当喷嘴结构和射流进口速度一定时，喷嘴外环流中气液比越大，射流速度越大，射程越长。

参考文献:

[1]郭琦,李方义,李硕,等.高压水射流清洗对基体去污效果及损伤的研究[J].中国机械工程,2014,25(6):817-820.

Guo Qi,Li Fangyi,Li Shuo,et al.Research on Decontamination Effect and Damage of High-pressure Water Jet Cleaning to Matrix[J].China Mechanical Engineering,2014,25(6):817-820.

[3]Guha A,Barron R M,Balachandar R. An Experimental and Numerical Study of Water Jet Cleaning Process[J].Journal of Materials Processing Technology,2011,211(4):610-618.

[4]金成柱,潘华辰.带有注气系统的高压水射流清洗装置:中国,201110327079.5[P].2013-08-23.

[5]蒋彧澄,胡寿根,丁胜.淹没空化水射流水下模拟实验装置的理论分析[J].上海理工大学学报,1998(3):212-214.

Jiang Yucheng,Hu Shougen,Ding Sheng.Theoretical Analysis on Underwater Model Test Device of Submerged Cavitating Water Jet[J].Journal of University of Shanghai for Science and Technology,1998(3):212-214.

[6]Vijay M M,Zou C,Hu S G,et al.A Study of the Practicality of Cavitating Water Jets[C]//Proc. 11th Int. Sym-pos. on Jet Cutting Technology.St Andrews,1991.

[7]薛胜雄.高压水射流技术工程[M]. 合肥：合肥工业大学出版社，2006.

[8]易松林,汪志明,孙怡红,等.径向钻井高压水射流喷嘴内外流场分析[J].石油机械,2013,41(3):15-20.

Yi Songlin,Wang Zhiming,Sun Yihong,et al.Analysis of the Internal and External FlowFields of High Pressure Water Jet Nozzle in Radial Drilling[J].Petroleum Machinery,2013,41(3):15-20.

[9]李锋.空化水射流船舶清洗技术的研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学,2011.

(编辑王旻玥)

Research on High Pressure Water Jet Cleaning Technology with Underwater Gas Injection System

Jin ChengzhuMiao YaoPan Huachen

Hangzhou Dianzi University,Hangzhou,310018

Abstract:A high pressure water jet cleaning technology with underwater gas injection system was proposed herein. A testing device was designed based on this technology, and could inhibite internal pressure fluctuation effectively under the mass flow water jet experimental conditions by control of water surface elevations and pressures.The influences of gas-liquid ratio on flow field under 10 meters of water depth were analyzed in order to effectively expand the distance of underwater high pressure water jet . The analysis results show that the jet velocity can be increased by increasing gas-liquid ratio of external jet flow and provide theoretical basis for underwater cleaning.

Key words:high pressure water jet;underwater cleaning;underwater imitative experiment;gas-liquid ratio

作者简介：金成柱,男,1974年生。杭州电子科技大学机械工程学院讲师。主要研究方向为海洋机电装备技术。发表论文10余篇。缪尧,女,1992年生。杭州电子科技大学机械工程学院硕士研究生。潘华辰,男,1956年生。杭州电子科技大学机械工程学院教授。

中图分类号：TH137；U672

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.06.002

基金项目：浙江省科技计划公益技术研究工业项目(2013C31137)；国家自然科学基金资助项目(41076055)

收稿日期：2015-05-15