摘 要： 自激脉冲空化射流是一种有效的脉冲射流形式,仅靠自身的特殊结构就能将连续的水射流转变为冲击效果更为优异的振荡脉冲水射流,在压力骤变过程中又伴随着空化泡的产生。研究了自激脉冲空化射流发生器的运行机理,固有频率对发生器几何尺寸设计的指导作用,以及应用的现状及前景进行系统的论述。
关键词： 自激; 空化; 脉冲射流; 固有频率;
0、 引言
水射流技术是近几十年发展起来的一项技术。通过水泵给水增压获得能量,使其在出口处得到能量集中的水流束[1]。近年来脉冲空化射流技术得到了长足发展,实现了在较低入口压力条件下获得较高出口压力的能力。自激脉冲空化射流技术可在出口处形成大尺度断续涡环流,造成的水锤效应以及空化效应可以在合适靶距内提供优异的冲蚀打击能力。
1、 自激脉冲空化射流的运作机理
当稳定流体流过喷嘴腔体的出口收缩部分时,利用反馈压力振荡的频率与谐振腔的固有频率相匹配,从而形成声谐共振,使喷嘴出口射流形成间断的涡环流,并且能在涡环中心产生空化现象。
20世纪80年代,美国Tracor Fluid公司的Conn和Johnson[3]等人利用水声学的方法研制了风琴管以及亥姆霍兹管喷嘴,如图1所示。
图1(b)就是利用淹没射流剪切层内的涡旋有变为大结构的自然趋势,通过共振的方式来产生脉冲射流,它能产生比普通空化喷嘴更强的空化效应[4]。
图1 自激振荡喷嘴示意图
风琴管喷嘴图1(a)通过在风琴管腔内形成驻波来产生脉冲射流。亥姆霍兹振荡腔喷嘴杨林,唐川林等人[5]针对亥姆霍兹喷嘴,建立自激振荡脉冲射流装置的流体网格模型来对其尺寸与固有频率之间的关系进行描述。发生器内的涡量脉动由于剪切层的选择放大作用,与喷嘴出口发生碰撞扰动,反馈以波的形式声速向上传播,过程中诱发新的波动,在二者频率相近的时候,来流能量被周期性激励,固有频率受到放大,腔内流体产生自激振动并在下游出口形成脉冲射流。
杨林[9]等从理论上分析了扰动波传播速度对自激振荡频率的影响,得到了碰撞剪切流动中的波速非恒定值,它与混合流体的弹性模量、空隙度、压力、密度及流体边界特征有关。
综上所述自激振荡的产生的机理十分复杂,实际上它不止受流体惯性、粘性、压缩性影响还受管路形状尺寸,端部阻抗的影响。正是由于流体运动方程的复杂难解,大多数学者都是采用这种利用模拟电路网络的流体网络理论,但也因此忽略了流体边界条件影响,传质传热等因素影响。
2、 自激脉冲空化射流发生器的设计方法
自激振荡发生的反馈机理如图2所示,输入能量经流喷嘴入口颈缩处进入腔室,在腔室的反馈系统控制下将输入能量与原始振荡结合来产生自激振荡。可简化为三个部分,即固有频率部分、维持激励部分、反馈控制部分。
根据水声学理论[6]计算出固有频率时常用的两种方法是“阻抗法”以及“矩阵法”。阻抗法利用压力、流量和阻抗的传递函数。而矩阵法,它利用压力和流量的传递函数。每种方法各有特点,常常希望将两种方法结合起来。利用固有频率和扰动频率相等来计算出发生器的尺寸。
图2 自激振荡脉冲射流发生机理图
3、 空化射流技术的应用发展
3.1、 自激脉冲空化射流在矿产领域方面的应用
美国流体公司的Joneson等成功地把自振空化射流用于石油钻井并应用共振来提高井底高压淹没射流空蚀强度。李根生和沈忠厚[8]研制了应用于钻头的自激脉冲空化喷嘴。实地测试表明,自振空化喷嘴钻头与普通喷嘴钻头相比,速度最高提高了近50%,平均机械钻速提高31.2%。
3.2 、自激脉冲空化射流在表面处理方面的应用
20世纪80年代,Zafred提出应用高压水射流处理金属表面的想法,开创了该领域的研究。选用黄铜作为研究对象,采用该方法对黄铜进行表面改性,结果表明喷射压力和喷射时间对黄铜表面有显着的增强作用。
3.3 、自激脉冲空化射流在化学及环保方面的应用
Kalumuck和Chahine[11]在不同操作条件下利用设备降解对硝基苯酚,水利空化与超声空化相比能效呈现指数比例增加,大大提高了能量利用率。邓松圣等在改变压力与浓度的条件下研究了空化射流对苯酚降解的影响,结果表明入口压力为6 MPa时,苯酚降解效率最大,酸性条件较低内溶物浓度均利于苯酚降解。
3.4、 自激脉冲空化射流应用于清洗
通常以水为介质,利用水锤效应以及空化效应来清洗。廖振方等[10]提出了利用空化射流配合药品来杀灭藻类及微生物解决水体污染的方法。康灿等[11]通过将中心体引发空化射流的实验得到中心体相对直径对空蚀的程度影响关系,射流的清洗效果与相对直径的大小成正比。
4、 研究展望与结语
自激脉冲空化射流技术作为一种适用于多个方面工业领域的技术,具有很好的发展前景,但是由于本身涉及到空化射流、固有频率、脉冲射流等多方面的技术的杂糅,尤其是对空化射流的研究仍不够深入。
1)由于流体运动方程的复杂性,流体自激震荡的机理十分复杂,所得到的尺寸设计仍是结合实验与相似理论而获得的结果,其机理仍待探求。
2)对自激脉冲空化射流喷嘴中伴随的空化现象,其机理特性,研究仍不够深入,需要进一步完善。
3)在对于两种自激空化射流发生器研究中,对各自的机理研究相对比较全面,可以进一步探求其联合使用进行研究。
4)将自激脉冲空化射流技术与其他领域原有技术结合将是未来研究的一种发展方向。
参考文献
[1] 沈忠厚.水射流理论与技术[J].中国安全科学学报,1999,9(S1):89-90.
[2] 李根生,沈忠厚,周长山.自振空化射流研究与应用进展[J].中国工程科学,2005,7(1):27-32.
[3] CONN A.F.J V E.the fluid dynamics of submerged cavitating jet cutting[J].Proc 5th Int Symp on Jet Cutting Technology,1980:201-209.
[4] 唐川林,张凤华,杨林.高速振荡脉冲射流振荡腔内涡旋-碰撞壁相互作用的模拟分析与实验[J].振动与冲击,2001,20(4):25-28.
[5] 杨林,唐川林,李晓红.自激振荡脉冲射流装置的频率特性[J].西南石油大学学报(自然科学版),2001,23(1):43-45.
[6] 刘伯胜.水声学原理[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2010.
[7] 李根生,沈忠厚,张召平.自振空化射流钻头喷嘴研制及现场试验[J].石油钻探技术,2003,31(5):11-13.
[8] L.K K M C G.The use of cavitating jets to oxidize organic compounds in water[J].Journal of Fluids Engineering,2000,122(3):465-470.
[9] 邓松圣,雷飞东,邱正阳.空化射流降解水中苯酚的实验研究[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2011,13(4):91-93.
[10] 廖振方,陈德淑,邓晓刚.利用空化射流清洗湖泊[J].清洗世界,2004,20(4):1-6.
[11] 康灿,周亮,杨敏官.嵌入中心体诱发空化射流的实验研究[J].工程热物理学报,2013,34(12):2275-2278.
