深水自激吸氣式脈沖射流裝置沖擊特性的試驗研究

高傳昌，馬文良，劉新陽，解克宇，王猛飛，胡亞州(華北水利水電大學，鄭州 450011)

近年來，隨著水下射流技術的蓬勃發展和應用，產生了一些新型的射流如空化射流、磨料射流、脈沖射流等[1]。脈沖射流技術由于其打擊力大、清潔、高效的特點近些年被廣泛應用于油罐清淤、石油鉆探、漁業充氧等領域[2]。理論分析方面，利用邊界層理論和波渦理論對高壓小流量的自激脈沖射流產生的機理進行了研究[3]；頻率振動方面，基于水聲學與流體動力學原理建立自振脈沖氣液射流模型，對其振動特性分析時域及頻域特征[4]，根據相似系統原理和流體網絡理論建立了自激振蕩脈沖射流噴嘴裝置的等效網絡模型，用系統傳遞函數推導了系統頻率特性方程并進行了數值計算[5]；數值模擬方面，利用了數值模擬的方法對自激脈沖射流進行了研究與分析[6,7]；結構參數方面，探究與分析了噴嘴各參數變化對低壓大流量自激振蕩脈沖射流裝置能耗的影響[8]；沖蝕性能方面，對深水自激吸氣脈沖射流裝置的沖蝕性能展開研究[9]。目前，國內外關于圍壓下自激脈沖射流研究的多為高壓小流量[10]，且對適用于清淤的有圍壓的脈沖射流的研究較少，尤其是深水條件下，為此，筆者自行研制了一種適用于深水條件下的新型低壓大流量自激吸氣式脈沖射流裝置，并在前期的大量試驗中已經證明自激脈沖射流裝置的性能吸氣時比不吸氣時好[11,12]，本文對不同圍壓和靶距對低壓大流量自激脈沖射流沖擊特性的影響展開試驗研究，以期為自吸氣脈沖射流技術在深水條件下的射流清淤應用提供技術支持。

1 試驗裝置及試驗內容

1.1 試驗裝置

圖1為自激吸氣式脈沖射流裝置，包括自激振蕩腔室、上噴嘴、碰撞體、下噴嘴、吸氣孔和進水段，其中吸氣孔共4個，內徑6.5 mm，沿腔體周向均勻布置。壓力容器罐是模擬水下射流環境的關鍵設備，結構如圖2所示，主要由進水口、安全閥口、注水孔口、靶盤調節裝置、測壓蓋板和泄水口組成，自激吸氣式脈沖射流裝置采用固定夾具固定于罐內。

圖1 自激吸氣式脈沖射流裝置

圖2 水下射流模擬裝置-壓力容器罐

圖3為水下射流循環試驗系統圖，其工作過程如下：單級離心泵給壓力容器罐注水，注滿后多級離心泵供給壓力水，電磁流量計測量壓力水流量，閘閥按試驗設計要求控制工作壓力和圍壓，安全閥用于控制圍壓上限，保證罐體安全運行，在水流經過自激吸氣式脈沖射流裝置時形成脈沖射流，直接噴射到靶盤上產生壓力信號，然后通過壓力傳感器將壓力信號傳輸到數據采集系統，通過計算機進行存儲并分析，其中在裝置運行時的吸氣量由氣體渦輪流量計測得。靶盤調節裝置用于調節靶距，靶盤上的壓力測點分布在靶盤中心及半徑15 mm處(第一圈)、半徑25 mm處(第二圈)、半徑35 mm處(第三圈)、半徑45 mm處(第四圈)，如圖4所示。數據采集系統包括信號調理器、數據采集儀，用于接受和處理壓力傳感器的信號，在計算機上運用振動信號采集、分析軟件對壓力信號進行分析和存儲。

1-多級離心泵；2-電磁流量計；3-閘閥；4-壓力表；5-自激吸氣式脈沖射流噴嘴；6-壓力容器罐；7-靶盤；8-壓力傳感器；9-測試系統；10-計算機；11-單級離心泵圖3 水下射流循環試驗系統

圖4 靶盤壓力測點分布(單位：mm)

1.2 試驗內容

試驗采用的圍壓為0.2～0.6 MPa(模擬水深20～60 m)，脈沖射流靶距為60～180 mm和工作壓力2.2 MPa，對自激吸氣式脈沖射流裝置的沖擊性能進行試驗，測試了射流沖擊力在靶盤上的分布特性。

2 試驗結果與分析

2.1 下噴嘴直徑對裝置吸氣量的影響

將圍壓下每個下噴嘴直徑在不同靶距測得的吸氣量進行求和并平均，得到下噴嘴直徑對裝置吸氣量的影響曲線圖，如圖5所示。由圖中可以看出下噴嘴直徑為14 mm時，圍壓在0.2～0.4 MPa之間，吸氣量基本無變化，圍壓在0.5～0.6 MPa之間，吸氣量下降較快，說明下噴嘴直徑14 mm時，吸氣效果不好；下噴嘴直徑16 mm時，吸氣量最大，隨著圍壓的增加，吸氣量在11.11～9.22 m3/h范圍內變化；下噴嘴直徑18 和20 mm時，吸氣量相差不大，分別在10.24～8.42 m3/h和10.14～7.88 m3/h范圍內變化；下噴嘴直徑22 mm時，圍壓較低時吸氣量較大，隨著圍壓的增加，吸氣量下降較快。通過以上分析可知，裝置吸氣效果在下噴嘴直徑為16、18、20 mm時明顯比下噴嘴直徑為14、22 mm時好。

圖5 下噴嘴直徑對吸氣量的影響

2.2 不同圍壓下靶距對靶盤上分布測點的沖擊力的影響

因文章篇幅限制，且下噴嘴直徑為14、16、18、20、22 mm時，靶盤上分布測點的射流沖擊力隨靶距、圍壓變化的規律相似，故本文中只給出了下噴嘴直徑為18 mm時，不同圍壓下(0.2～0.6 MPa)，靶盤中心、第一圈、第二圈、第三圈、第四圈沖擊力隨靶距變化的曲線，如圖6所示。由圖6可知，在整個圍壓范圍內，靶盤中心沖擊力隨著靶距的增加逐漸減小，且減小的趨勢逐漸平緩；第一圈沖擊力隨著靶距的增加而減小，減小的趨勢相對平穩；靶盤第二圈、第三圈、第四圈的沖擊力隨著靶距的增加而增加，且增加趨勢逐漸上升。根據軸對稱紊流淹沒射流軸心線上的速度分布[1]，軸心線上的速度先迅速減小后緩慢減小，故靶心沖擊力也先迅速下降后緩慢減??；第一圈位于射流能量核心區，隨著沖擊射程的增加，射流要克服的阻力增加且能量逐漸向外擴散，使得能量逐漸減小，速度減小，沖擊力逐漸減小；隨著靶距的增加，射流剪切層分離產生的漩渦逐漸發展完全，能量逐漸向外傳遞，遠離軸心部分速度逐漸增加，使得靶盤第二圈、第三圈、第四圈的沖擊力隨著靶距的增加而增加，且增加趨勢隨靶距增加而上升。

同時由圖6可知，隨著圍壓的增大，射流沖擊力逐漸減小。這是因為隨著圍壓的增大，射流受到的阻力也隨之增大，能量損耗增加，射流速度逐漸減小，射流沖擊力逐漸減小。

2.3 裝置沖擊力在不同靶距下的分布特性

由2.1小節分析中可知下噴嘴直徑14和22 mm時，吸氣量在高圍壓下降迅速較快，所以選擇了下噴嘴直徑16、18、20 mm進行分析，如圖7～9所示，圍壓下射流沖擊力分布情況。

圖6 不同圍壓下靶距與靶盤上分布測點的沖擊力之間的關系

圖7 下噴嘴直徑16 mm時，圍壓下射流沖擊力分布情況

可以看出，下噴嘴直徑16、18和20 mm的分布特性基本一致，同一圍壓下，隨著靶距的增加，射流沖擊力分布曲線逐漸平緩；高圍壓下，在大靶距內出現一個現象，射流最大的沖擊力并不在射流軸心處，而是在偏離軸心一段徑向距離處，且下噴嘴直徑20 mm比下噴嘴直徑18 mm明顯，下噴嘴直徑18mm比下噴嘴直徑16 mm明顯。在本試驗條件下，這個距離為15 mm左右。這是由于，在大靶距下，射流的漩渦結構逐漸發展完全，且流場中高低速流體的相互卷吸作用，使得射流在離射流軸心一段距離處形成環狀的邊界層，邊界層內較大壓力梯度的存在，有利于漩渦的發展壯大。而在射流軸心，射流能量相對集中，速度較大，使得軸心處的旋渦尺寸小于邊界層的漩渦，使得環狀邊界層內能量逐漸增加，軸心處能量逐漸減小，從而導致在偏離軸心一段徑向距離的射流沖擊力最大，這也與文獻[13]的研究類似。

圖8 下噴嘴直徑18 mm時，圍壓下射流沖擊力分布情況

圖9 下噴嘴直徑20 mm時，圍壓下射流沖擊力分布情況

3 結 語

通過試驗對自激吸氣式脈沖射流裝置的沖擊特性進行了研究，分析了下噴嘴直徑對吸氣效果的影響，靶距、圍壓對裝置射流沖擊分布特性的影響，得出了以下結論：下噴嘴直徑為16、18、20 mm時裝置的吸氣效果最佳；靶盤各圈測點沖擊力分布規律是不同的，在靶盤靶心和第1圈，射流沖擊力隨著靶距的增加而減小，而且圍壓越高沖擊力變化越平緩，第2圈至第4圈射流沖擊力隨著靶距的增加而增加；在同一下噴嘴直徑下，圍壓越高沖擊力越小，在同一圍壓下，靶距越大沖擊力分布越平緩，在高圍壓和大靶距時，射流最大沖擊力不在射流軸心處，而是偏移射流中心徑向一段距離處，偏移距離約15 mm。試驗只對自激吸氣式脈沖射流裝置的沖擊特性進行了試驗，對于其他方面的特性還需進一步通過試驗進行探討。

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