增压式脉冲水射流脉动特性可视化试验研究

2021-11-10汤积仁卢义玉凌远非张洋凯朱志丹

振动与冲击 2021年20期

汤积仁，汪壘，卢义玉，凌远非，张洋凯，姚奇，朱志丹

(1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400030；2.重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400030)

水射流技术已经广泛运用于矿山开采、隧道掘进等领域[1-2]。运用水射流技术对硬岩进行破碎一直是国内外一项研究难题，有学者根据硬岩一般具有较高抗压强度和相对较低抗剪及抗拉强度特征认为脉冲射流在硬岩破碎方面最具有开发应用潜力[3-5]。大量研究表明脉冲射流比连续射流具有更高的破碎效率[6-8]。目前，国内外学者对不同形式的脉冲射流及其射流特性展开了大量研究。Pianthong等[9]开发了一种超音速脉冲射流发生装置，并使用阴影图技术捕捉到经典伞状结构及其变化过程。Dehkhoda等[10-11]提出了一种使用自由降落的重锤作为动力源产生挤压式脉冲射流的发生方法，利用高速摄像技术对其射流形态特征进行了研究，并采用截断式脉冲射流进行了冲击大理石和花岗岩实验，研究发现脉冲频率和脉冲射流持续时间是引起岩石破坏的关键参数。马飞等[12]采用喷嘴腔内压力信号提取方法对自振射流频率特性进行了研究。司鹄等[13]建立了自激振荡脉冲射流破碎岩石的数值计算模型，并模拟了脉冲射流破岩过程，发现随着脉冲振幅的增大，破岩效率显著提高，脉冲频率存在最优值。Li等[14]通过冲击实验研究了自激振荡脉冲射流轴向压力振荡幅度以及振荡频率，得出自激振荡脉冲射流压力和能量具有周期波动特性。Lu等[15-16]使用高速摄像技术对截断式脉冲射流结构演变过程进行捕捉，并进行了破岩性能研究，发现射流头部结构具有偏转特性，结构形态决定作用于靶物上的有效应力分布，影响破坏面形状。Jiang等[17]通过模拟脉冲射流破岩过程，发现脉冲长度一定时，脉冲频率过高将会产生水垫效应，破岩效率反而会下降。Polyakov等[18]通过截断式脉冲水射流切割岩石，发现脉冲水射流的破坏效率随压力升高而增大。上述学者提出了一些不同形式的脉冲射流发生方法。但这些脉冲射流发生方法存在的不足限制了它们的实际运用和开发潜力，如挤压式脉冲射流不能实现连续产生；截断式脉冲射流在截断过程中会浪费大量水资源和能量，比能耗高；激励式脉冲射流产生的压力脉动幅度较小，增压倍率低。除此之外，上述学者对脉冲水射流的射流特性及破岩性能也进行了一些深入的研究，研究发现高压脉冲水射流流体具有高速湍动的瞬变特性，脉冲射流能否有效破裂岩石，取决于脉冲频率以及单个水脉冲施加的冲击动压，而脉冲射流形态结构和压力大小决定冲击动压大小，形态结构演变过程又能反映射流频率波动情况，因此，准确掌握脉冲水射流的射流特性，是研究破岩机理的必要前提。

为进一步提高脉冲水射流的破岩效率，弥补以上脉冲射流发生方法的不足，笔者及其研究团队结合液压增压原理和水射流技术，提出了一种增压式脉冲水射流发生方法并研发了一种增压式脉冲水射流发生装置。本文通过高速数字摄像机捕捉射流出口流场，并在射流发生装置的进油口、回油口、增压腔布置压力传感器对压力进行实时监测，旨在探明和揭示增压式脉冲水射流在不同工作参数下射流形态结构、射流压力、脉冲频率等射流特性的影响规律，为进一步研究和应用增压式脉冲水射流奠定基础，并进一步为超高压脉冲水射流发生装置的研制提供重要的参考和指导。

1 增压式脉冲射流形成原理

图1为增压式脉冲水射流发生装置示意图。图中标出了射流发生装置主要结构，此装置利用挤压活塞前后面积差形成增压比，通过挤压活塞往复挤压就能持续产生高压脉冲射流。

图1 增压式脉冲水射流发生装置示意图Fig.1 Schematic diagram of supercharged pulse water jet generating device

挤压活塞工作原理：如图1所示，此时为挤压活塞冲程开始。高压传动介质由进口经换向阀右侧腔5进入换向阀，经缸体孔4进入缸体后腔A，同时经缸体孔1进入缸体前腔B，由面积差产生压力差推动挤压活塞右移进行冲程加速。当挤压活塞向右运动，活塞中间的凹槽缺口正好将腔2和腔3连通，此时，腔2、3、8、9与出口相通，腔9一直处于低压，而换向阀芯右侧腔5、中间腔、左侧腔6与入口相通，即通高压，由于换向阀芯左侧面积大于右侧面积，在压力差下阀芯向右移动，阀芯瞬间切换缸体内传动介质的供、排路线。当供、排路线改变后，高压传动介质由缸体孔1进入缸体前腔B，换向阀芯右端的凹槽将缸体孔4和腔7连通，缸体孔4与腔2、3、7、8连通出口，即缸体后腔A连通出口为低压，于是活塞开始制动，速度很快降为零，并转为活塞回程加速，缸体后腔A中的流体由孔4经腔7排出。回程中，当挤压活塞右台肩越过腔2时，高压传动介质由腔2进入腔8，换向阀芯右侧腔5与腔8皆为高压，阀芯右侧面积和腔8所在腔的承压面积大于阀芯左侧面积，推动换向阀左移，改变缸体内流体的供、排路线，即孔4与进口相通，缸体后腔A进高压，挤压活塞开始制动，速度很快降为零，并转为冲程加速，此时挤压活塞就完成一个工作循环。

增压式脉冲水射流形成原理：当挤压活塞未进行冲程挤压时，由单向阀进入的低压水直接通过喷嘴形成低压连续射流；当活塞冲程时，单向阀瞬间关闭，腔体中的水瞬间被挤压升压，通过喷嘴将压能转化为动能后高速喷出形成高压脉冲射流；活塞回程时低压水迅速通过单向阀向增压腔中注水并通过喷嘴再次形成连续射流，此时完成一次脉冲循环。通过与换向阀运动耦合，挤压活塞自动进行反复冲程、回程，冲程挤压时产生高压脉冲射流段，活塞冲程完成并回程时，产生连续射流段，它们彼此交互配合，周期性产生连续射流段和脉冲射流段。因此，增压式脉冲水射流是由一段连续射流和一段脉冲射流彼此交互配合组成。

2 试验

根据增压式脉冲射流发生原理研发了增压式脉冲射流发生装置，以液压油作为工作介质，以纯水作为射流介质，并自主研发了增压式脉冲水射流测试系统。为了研究产生的增压式脉冲水射流的脉动特性，开展了不同工作参数下的射流试验。

2.1 试验系统

试验采用自主研发的增压式脉冲水射流测试系统，如图2所示。该系统主要由供水系统、液压泵站、压力监测与采集系统、高速图像采集系统、增压式脉冲射流发生装置组成。供水系统由水箱、高压柱塞泵组、溢流阀、压力流量控制系统组成，对增压腔起到补水作用；液压泵站由防爆电机、齿轮泵、油箱、溢流阀组成，为推动挤压活塞提供动力源；压力监测与采集系统由3个精度0.1%的XBS100型号数值压力传感器、数据采集器、计算机组成，其中传感器1量程为0～70 MPa测进油压力，压力传感器2量程为0～120 MPa测射流压力，压力传感器3量程为0～40 MPa测回油压力；高速图像采集系统由美国PHANTOM V2012高速数字摄像机、LED光源、计算机组成。其中试验系统核心是增压式脉冲水射流发生装置。

图2 增压式脉冲水射流试验系统Fig.2 Supercharged pulse water jet tests system

2.2 试验参数

试验采用Φ=0.5 mm宝石喷嘴，工作参数包括进油压力P油、增压腔初始压力P0。试验参数见表1。

表1 试验参数设置Tab.1 Tests parameter settings

2.3 试验步骤

试验之前按照图2连接试验系统，压力传感器连接之前在大气压条件下调零，接着打开供水系统调节进水压力即增压腔初始压力P0向增压腔注水，然后开启液压泵站调节进油压力P油使增压式脉冲射流发生装置工作，工作参数调节按照表1进行。试验时高速数字摄像机搭配24-85标准变焦尼康镜头正对射流拍摄，侧面布置LED灯照明。为保证捕捉足够的射流范围，通过调整相机位置和焦距调节拍摄区域，用钢尺对拍摄区域进行标定，为了方便统一后处理，只保留射流区域附近的图像，保留的射流区域实际尺寸为190 mm×35 mm。为了能够清晰获得射流形态细微的变化过程，设置相机拍摄速度为22 000 帧/秒，即连续两张照片间隔时间为45.45 μs，曝光时间为44 μs。待工作参数达到设定值及增压式脉冲射流稳定产生后再迅速通过计算机控制压力采集系统和图像采集系统采集信息。

3 结果与讨论

3.1 射流压力脉动特性分析

研究表明射流压力对破岩能力有重要影响，射流压力越大，破坏效果越明显[18]，增压后的脉冲射流是破岩的主体，因此掌握增压式脉冲水射流的压力变化规律能为后续破岩试验提供必要的条件。图3、图4为增压腔压力传感器采集的压力变化曲线，其中图3为增压腔初始压力P0为0.2 MPa时，不同进油压力P油条件下压力变化曲线；图4为进油压力P油为12 MPa时，不同增压腔初始压力P0条件下压力变化曲线。

基于目前广泛存在的难以监测分析转子在升速或降速过程中信号的问题，这里通过同时监测转子轴向位移信号，在转子转速稳定的情况下通过对比分析转子径向信号来证明转子轴向信号对于监测诊断转子轴裂纹故障的有效性。

图3 不同进油压力下射流压力变化规律Fig.3 Variation of jet pressure under different inlet pressures

图4 不同增压腔初始压力下射流压力变化规律Fig.4 Variation of jet pressure under different initial pressure in the plenum chamber

从图3中可以看出，射流压力大小随时间呈脉动性变化，单个周期内压力变化具有稳定压力和冲击压力相结合的特点，压力脉动幅度大，具有明显的增压效果。压力曲线变化反映了挤压活塞运动特点，同时也验证了增压式脉冲射流发生方法的可行性。根据增压式脉冲水射流形成原理，增压式脉冲水射流是由一段连续射流和一段脉冲射流彼此交互配合组成。图中压力曲线的升高、稳定和下降分别对应挤压活塞冲程阶段的加速、匀速和减速三种状态，此阶段对应脉冲射流段；稳定的低压段反映挤压活塞回程阶段对应连续射流段。连续射流段的压力值较低且稳定与增压腔初始压力P0大小一致由供水压力控制；随着进油压力P油升高，脉冲射流段的压力波动更为明显，由一个较大压力波峰变为两个较大压力波峰，由于活塞增压比一定，脉冲射流段峰值压力随着进油压力P油升高而增大，而连续射流段压力不变，两者之间压力差即压力脉动幅度也随之增大，脉动强度越明显。因此，在设备能承受超高压力情况下，只需要升高进油压力P油就能实现将低压水变为超高压脉冲射流。

图4中连续射流段的压力随增压腔初始压力P0升高而升高，压力值与增压腔初始压力大小保持一致，但增压腔初始压力变化并不会对脉冲射流段的峰值压力产生影响。由于挤压活塞对增压腔内的水体开始挤压时，进水处的单向阀就会迅速关闭，此时只由进油压力P油推动挤压活塞进行增压，进油压力P油大小不变，射流峰值压力大小也不会变化，可见脉冲射流段的压力大小与P0无关。此外，随着增压腔初始压力P0升高压力脉动幅度会逐渐减小，因此，可以通过调节P0来调制具有不同压力脉动幅度的脉冲水射流。

3.2 脉冲频率特性分析

增压式脉冲水射流是由连续射流段和脉冲射流段连续交互配合形成，一个脉冲周期由这两段射流持续时间共同决定，周期持续时间越短，脉冲频率越高。根据压力传感器采集的结果可以得到进油压力、增压腔初始压力与脉冲频率的关系。

图5为控制增压腔初始压力P0为0.2 MPa不变，不同进油压力P油对脉冲频率与射流持续时间的影响规律。由图5可知，脉冲射流段和连续射流段持续时间都与进油压力P油变化呈幂函数关系且随着P油增加而降低，但降低趋势逐渐变小；脉冲频率与进油压力P油变化也呈幂函数关系且随P油增加而增加，进油压力P油从4 MPa升到12 MPa，频率增加约1.1 Hz。进油压力P油升高施加给挤压活塞的推力也相应变大，活塞冲程和回程速度加快，往返周期相应缩短，从而脉冲频率加快，因此可以直接通过改变进油压力P油来调节所需脉冲频率。

图5 脉冲频率与射流持续时间随进油压力变化规律Fig.5 Variation of pulse frequency and jet duration with oil intake pressure

图6为保持进油压力P油为12 MPa不变，不同增压腔初始压力P0对脉冲频率与射流持续时间的影响规律。从图中可以看出，脉冲射流段持续时间随增压腔初始压力P0增大呈先减小后稳定的特点，是由于增压腔初始压力增大而进油压力值一定，即增压腔内最终所达到的峰值压力一定，活塞将增压腔内的水增压至压力峰值所需时间缩短。连续射流段持续时间随增压腔初始压力P0升高也呈先减小后稳定的特点，其原因是P0升高助推了活塞回程，提高回程速度，射流持续时间缩短，而由于回油流量限制会在图1中的缸体后腔中产生回油背压，限制了水压产生的回推助力，阻碍连续射流段持续时间进一步缩短。由于连续射流段和脉冲射流段持续时间随增压腔初始压力P0变化特点，脉冲频率随增压腔初始压力P0增大呈先增大后稳定的特点，当增压腔初始压力P0<8 MPa时，脉冲频率随P0增大而增大，当增压腔初始压力P0≥8 MPa时，不再变化，增压腔初始压力P0从0.2 MPa升到12 MPa，频率增加约0.4 Hz。

图6 脉冲频率与射流持续时间随增压腔初始压力变化规律Fig.6 Variation of pulse frequency and jet duration with initial pressure of the booster cavity

3.3 射流形态动态演变分析

对不同工作参数下增压式脉冲水射流的射流形态进行拍摄。图7为控制增压腔初始压力P0为0.2 MPa不变，不同进油压力P油脉冲射流形态变化情况；图8为保持进油压力P油为12 MPa不变，改变增压腔初始压力P0脉冲射流形态发展演变情况。

从图7、图8中可以明显看出，增压式脉冲水射流的射流形态大致都经历过相同演化过程，结合上文中其压力变化特点，增压式脉冲水射流是一种由低压连续射流段和高压脉冲射流段相互衔接而成的组合射流，其形态演变过程受挤压活塞运动状态影响可分为四个阶段：连续射流阶段、脉冲射流产生与发展阶段、脉冲射流稳定阶段、脉冲射流消散阶段。射流在0 s时刻即冲击活塞未冲程运动之前，属于连续射流，此时增压腔内压力由进水压力决定，由于压力低，射流保持紧密状态呈细线状。在0.1 s时刻，冲击活塞瞬间挤压水体，形成高速射流喷射而出，脉冲射流产生，随后活塞加速，射流主体外边界开始产生由空气与水蒸气组成的环状雾化流，射流边界锥角度明显增大，射流形态由细线状变为如0.15 s时刻所示的圆锥状。此后一段时间内由于增压腔内压力作用，挤压活塞处于一个相对受力平衡状态，挤压速度相对稳定，射流形态保持圆锥状将不再变化，射流形态基本稳定。此后，由第1节知当冲击活塞到达一定位置后开始减速，准备回程，此后射流边界锥角度明显减小，脉冲射流开始消散，最后射流重新变成细线状，由此形成了增压式脉冲射流的周期性变化。

图7 不同进油压力射流形态发展变化部分图片Fig.7 Pictures about changes in the morphology of different oil pressure jets

图8 不同增压腔初始压力射流形态发展变化部分图片Fig.8 Pictures about changes in the shape of the initial pressure jets of different pressurized cavities

对增压腔初始压力较低情况下出现“伞状结构”原因进行分析，图9为P油=12 MPa，P0=0.2 MPa条件下“伞状结构”发展过程。从图9中可以看出，在开始时射流上游出现一个小核心段A，前端面呈弓形，演变到500 μs时逐渐发展成一个晕轮且中间重新出现一个新核心段，随后新核心段冲出晕轮继续前进，而晕轮外轮廓逐渐脱离散化。在1 500 μs后，核心段的前端弓形面由凸变凹，在2 000 μs处形成U型结构A1，此后U型结构继续前进完全覆盖下游。“伞状结构”经过2 000 μs移动113 mm，而图中B点运动到B1，经过2 000 μs移动34 mm，即射流上游速度远大于下游速度。可以推出“伞状结构”产生原因是由于脉冲射流产生瞬间速度快，追上下游的低速连续射流并发生碰撞，逐渐驱替低速射流，碰撞区就是所述核心段。随着碰撞进行，核心段前端的动能不断损失，前端弓形面被下游低速射流反冲击为凹形，最后形成U形射流。当增压腔初始压力P0增大后，产生的连续射流速度加快，射流驱替现象不明显，因此不再产生“伞状结构”。

图9 “伞状结构”演变过程Fig.9 Evolution of “Umbrella structure”

3.4 射流结构多级脉动特征

低压连续射流段和高压脉冲射流段快速交替冲击为主要脉动特征。当射流处于脉冲射流阶段时，由于增压腔横截面与喷嘴入口界面是非连续性收缩，挤压活塞在挤压过程中不断发生机械振动，产生的激波会在增压腔内引起振荡[20]，使通过喷嘴出口的流量不断变化，导致射流具有次级脉动特征。在径向上，增压腔内的振荡使射流主体区域呈周期性变化，通过射流边界锥角度变化反映射流径向上的波动情况，图10为射流结构径向变化高速摄影；同时在轴向上，流量瞬间增大会在喷嘴出口形成高速的弓形冲击波面，冲击波面传递使射流以波浪形式传播，如图11所示，波浪头部直径大，身部直径小，在波浪头部与身部相接的颈部由于脉冲主射流流速极大与身部射流边界低速带形成速度差，发生剪切作用，更易对空气卷吸形成剪切漩涡。当脉冲射流的边界锥角度不断变化且以波浪形式撞击到靶物上，作用的面积大小相互交变，能更好的利用水锤压力，有效地削弱水垫效应。

图10 脉冲射流径向结构脉动变化高速摄影Fig.10 Pulse jet radial structure pulsation change high-speed photography

图11 脉冲射流轴向波动传播示意图Fig.11 Schematic diagram of axial wave propagation of pulse jet

通过主体射流边界锥角变化对增压式脉冲水射流多级脉动特性进行定量分析。图12为单个脉冲循环内部分射流边界锥角在不同工作参数下随时间变化曲线。

图12中明显可以看出：不同工作参数下边界锥角总体变化趋势具有相似性，都与射流压力变化走势基本保持一致。低压连续射流段和高压脉冲射流段交替时，边界锥角发生阶跃变化为主要脉动特征，脉冲射流段中边界锥角随时间波动变化具有次级脉动特征，由于压力传感器精度限制，采集的压力曲线波动并不明显。除此之外，增压腔初始压力P0不变如图12(a)～图12(c)，边界锥角随着进油压力P油升高而增加，且随着P油升高波动振幅越大，这是因为P油增大，射流压力随之增大，同时系统产生的机械振动也越明显，引起增压腔内发生更强烈的振荡，边界锥角波动振幅越大。保持进油压力P油不变如图12(c)～图12(f)，当P0=0.2 MPa时，边界锥角峰值最大，当P0≥4 MPa时与P0=0.2 MPa相比，增压腔内初始压力增大，对活塞起到缓冲作用，边界锥角峰值有所降低。同时，增大增压腔初始压力脉冲射流段的边界锥角波动变得紊乱，说明增压腔初始压力P0增大会对增压腔内部的流场产生扰动，加剧射流紊乱程度，影响射流结构。