利用电磁场实现预混合磨料射流的设想及验证试验

王　岩，张国荣

(安徽理工大学机械工程学院，安徽　淮南　232001)



利用电磁场实现预混合磨料射流的设想及验证试验

王岩，张国荣

(安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001)

随着各国研究人员对高压水射流技术基础理论的深入研究和对应用设备的不断开发，高压水射流技术发展迅速，射流的品种已从纯水射流逐渐扩展为磨料射流、空化射流等，并广泛应用于煤炭、石油、化工、冶金、机械、军事等多行业，用以完成清洗、除锈、除尘、切割、钻孔、粉碎、注浆等作业。提出一种利用正交电磁场装置实现高效、连续预混合磨料射流的设想，阐述预混合磨料射流技术的内涵，介绍其理论依据，分析其技术可行性，提出该技术实现及实用化所需解决的技术问题，进行初步试验验证，为磨料射流技术发展提供新思路。

电磁场；预混合；磨料射流

磨料射流是普通水射流的发展，其实质是在高压水射流中加入一定量的高硬度磨料颗粒而形成的固液两相射流，根据磨料加入的位置不同，可以将其分为后混合磨料射流及前混合磨料射流[1]。

后混合磨料射流中磨料在高压水形成高速射流之后混入，磨料几乎不可能进入射流中心且浓度分布不均，降低了水介质对磨料的能量传输效率[2]，磨料颗粒速度较低，系统能量转化效率不高。前混合磨料射流中磨料在高压水形成高速射流前混入，磨料颗粒与水介质的混合机理得到了改善,具有较高的能量传输效率和较大的磨料颗粒速度。但是受磨料罐体积限制，前混合磨料射流连续工作时间有限，需停止工作换罐装沙，无法实现连续工作。

两种形式的磨料射流技术均存在一定的缺点，究其根源在于：现有泵或增压器设备因密封、磨损等问题无法对混有磨料的固液两相流工作，使其产生足够的工作压力，磨料需在水介质具有一定的压力或流速后混入形成磨料射流，而磨料混入方式致使其存在效率低、无法连续作业等问题。

针对这种情况，笔者提出实现低压连续供料预混合磨料射流的新方法，以克服现有前、后混合磨料射流存在弊端。因磨料与水介质预先混合，根据磨料加入的位置，相对于现有的前混式磨料射流、后混式磨料射流，本文将其命名预混合磨料射流。

1　预混合磨料射流

利用正交电、磁场实现地低压、连续供料预混合磨料射流的新方法，其实质是利用预先混有磨料的固液两相流作为导体，利用磁体在通道建立磁场，通过电极向固液两相流体供电，此时载流流体会在与它垂直的磁场中受到电磁力作用，流体受力时沿电磁力方向运动，经喷嘴，形成磨料射流。

预混合磨料系统主要包含三部分：磨料供给部分、高压发生部分、射流形成部分，图1为系统示意图。磨料供给部分及射流形成部分不作赘述，本文主要阐述第二部分内容。

图1　预混合磨料射流系统示意图

预混合磨料射流系统高压发生部分为正交电磁场装置，其工作原理为法拉第电磁力定律：处于磁场(磁场与电流方向不平行)中的通电导体会受到安培力作用。图2a为使用左手定则表示的正交电磁场压力发生装置工作原理图。将左手中指、食指、大拇指处于图中相互垂直的位置，用食指指向表示磁场B方向，中指指向表示电流I方向，则大拇指指向即为电磁力F方向[3]。

a.压力发生装置原理图

b.工作区域模型图2　压力发生装置原理图及工作区域模型

图2b为压力发生装置工作区域模型。为简便描述起见，通道截面以矩形表示。矩形通道左右两侧面内侧安装电极，向预先混有磨料的固液两相流施加直流电流，上下两面布置磁极产生垂直方向磁场，电流I方向、磁场B方向如图1b所示。流体在通道内受到电磁力作用形成压力并流动，当压力达到一定值时即通过管道和喷嘴形成磨料射流。

2　形成射流的关键参数

2.1电磁力

预混合磨料射流系统中，介质工作压力源自其在高压发生部分通道内受到的电磁力作用[4]。介质受到电磁力为

F=η·∫V·J·BsinθdV

(1)

式中:V为高压发生部分通道有效体积；J为电流密度；B为磁通量密度；θ为电流与磁通量方向夹角；η为系统电磁转换效率。

值得注意的是，导电流体受到的推动力与固态导体受到的安培力在大小上有着明显的差距。因流体中受电磁作用的为带电离子可在流体内部较小阻力的流动，致使其电磁转换效率η仅为13%左右。

当电流方向与磁通量夹角为90°且磁通量均强分布时，就矩形截面高压发生部分通道而言，上式积分得

F=η·J·B·V

F=η·J·B·b·a·L

(2)

式中:a为通道高度;b为通道宽度;L为通道长度。

由式(2)知，系统中介质受到电磁力由通道有效体积v、电流密度J、磁通量密度B及二者夹角共同决定。

2.2工作压力

理想情况下忽略通道内摩擦阻力损失，预混合磨料射流系统工作压力Pe等于单位面积上的电磁力，即

Pe=F/A=η·J·B·L

(3)

式中:A为通道截面积。

上式说明，预混合磨料射流系统工作压力取决于电流密度、磁通量密度及高压发生部分通道长度，提高其中任一参数均能增加系统的工作压力。

2.3其他参数

磨料浓度、流量、喷嘴直径等是形成预混合磨料射流的重要参数，因其均符合磨料射流的一般规律，在此不做赘述。此外，电磁场增压装置能量转换效率也是需要考虑重要参数之一。

3　预混合磨料射流优势

因运动副动态密封存在的密封、磨损等问题，现有泵或增压器无法使混有磨料的介质产生足够的工作压力。本文中所述方法利用电磁场产生压力，装置不存在动态密封，克服了现有泵或增压器设备的弊端，可以对混有高硬度磨料颗粒的介质工作，使其产生足够的工作压力。

相对于现有的前、后混式磨料射流，具有明显的优势。首先，磨料常压下连续供给，其与介质的混合更加充分且浓度可以调节，提高了水介质对磨料的能量传输效率，系统工作压力相对于后混式磨料射流大幅降低，仅为其10%左右[1]，系统可靠性、安全性及工作寿命得到提高。其次，磨料常压下连续供给，系统取消了前混式磨料射流存在的停机换罐、装沙步骤，实现了连续作业，提高了工作效率。预混合磨料射流在具有前混合磨料射流较高的能量传输效率前提下，实现后混合磨料的连续工作。

4　待解决的技术问题

预混合磨料射流为一种产生磨料射流的新方法，是磨料射流技术研究的新方向之一，它的实现以及实用化存在诸多亟待研究、解决的问题，主要概括为以下几个方点。

4.1射流介质研究

预混合磨料射流系统中，射流介质作为导体在磁场中受到电磁力作用产生压力，其压力形成的原理要求介质须具有良好的导电性，同时为防止较大电流情况下发生显著的电解效应而产生大量的气泡影响射流效果，介质需有一定的稳定性特性，其成分的种类及配比非常关键。

具体而言主要如下四个方面，其一，为增加介质导电能力而加入的电解质种类及浓度研究；其二，电磁场条件下磨料与水介质的相互作用规律、磨料种类和浓度的研究；其三，电磁场条件下磨料与电解质的相互作用规律及对射流参数和效果的影响规律研究；其四，对有助于形成稳定的磨料与介质悬浮液的悬浮剂的研究。

4.2磁场研究

磁场强度是决定预混合磨料射流系统工作压力的重要参数之一，增加磁场强度可有效提高系统工作压力。

常见磁体主要有超导磁体和永磁磁体。超导磁体技术可实现较大的磁场强度，英国剑桥大学研究人员已在-196℃条件下实现17.6T强磁场[5]。超导磁体具有体积小、场强高等优势，但其所需实验条件要求高，成本相对较高；永磁磁体实验条件要求低，成本较低且易于实现，但是其产生场强较低。就预混合磨料射流技术而言，根据其压力形成机理，研究、选择适合的励磁方式并实现高强度磁场是重要的研究内容之一。

4.3电流密度研究

电流密度与介质中电流大小称正比，增加介质中电流强度是提高系统工作压力的有效方法之一。

以水为主要成分的工作介质，在强电流条件下会发生显著的电解效应产生氢气、氧气等，影响射流效果的同时亦存在一定的危险性。因此，研究电流密度与射流参数之间的规律并确定合理的电流密度同样是一项重要的研究内容。

4.4高压发生部分装置结构研究

高压发生部分中的装置结构对射流系统工作参数产生直接影响。如通道的形状、尺寸及电极的尺寸、材质等，确定其规律并结合射流介质成分、磁场方式及电流密度等关键参数设计合理的通道也是实现预混合磨料射流较为重要的工作之一。

4.5其他方面

其他方面，诸如磨料供给部分机械结构设计、射流形成部分喷头、喷嘴参数确定等亦需要做一定的研究工作。

5　结论

低压连续供料是磨料射流发展的重要方向之一，笔者所在团队提出利用正交电磁场实现低压连续供料预混合磨料射流方法提供了实现这一目的的思路，阐述其技术特点、列举出实现预混合磨料射流需要研究解决的主要问题，旨在抛砖引玉为同行技术人员后续深入研究提供思路，以实现预混合磨料射流并最终推进其实用化，为磨料射流技术的发展起到一定推动作用。

[1]吴海，刘波，王国涛，等.磨料水射流切割技术分析及研究[J].机械管理开发，2010(8)：9-10.

[2]胡东，夏志华，唐川林.后混合磨料射流切割系统的研究[J].机床与液压，2013(10)：33-39.

[3]马丹.提高磁流体推进器电磁效率的以一种方法[J].船电技术，2005(2)：10-13.

[4]尹真，尹群.船舶磁流体推进技术研究[J].造船技术，2002(1)：1-10.

[5]师帅.17.6特斯拉-超导磁体新纪录[J]. 农村电工，2014(10)：50.

(责任编辑：李丽,吴晓红)

The Vision and Test of Using Electromagnetic Field to Achieve The Premixed Abrasive Jet

WANG Yan, ZHANG Guo-rong

(School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science & Technology,Huainan Anhui 232001, Anhui)

By Proposing the envisaged of using orthogonal electromagnetic device to achieve efficient, continuous premixed abrasive jet, explaining the connotation of premixed abrasive jet technology, introducing its theoretical basis, and by analyzing the technical feasibility, the technical issues need to be resolved in technical realization and practice are proposed with preliminary experimental verification, so as to provide new ideas to promote the development of abrasive water jet technology .

electromagnetic ; premixed; abrasive water jet

2015-05-16

安徽理工大学青年科学研究基金资助项目(QN201510)

王岩(1986-)，男，安徽宿州人,助理实验师，硕士,研究方向:高压水射流及矿山机械设计。

TQ051

A

1672-1098(2016)04-0060-04