不同围压下自激吸气脉冲射流喷嘴吸气性能的试验研究

高传昌，马建娇，梁晓玲，卢 佳

(1．华北水利水电大学 电力学院，河南 郑州 450045;2．吉林省银河水利水电新技术设计有限公司，吉林 长春 130012)

自激脉冲射流不同于连续射流，它不需要外加激励源，仅利用脉冲射流喷嘴装置的结构特性使流体产生自激振荡，将连续射流变成脉冲射流［1］． 自激脉冲射流不仅结构简单、密封性好、可靠性高、成本低廉，而且具有体积小、无需附加外驱动机构等优点．由于脉冲射流技术具有高度聚能、冲蚀性能强、清洗效率高等突出特点，近些年来其应用领域不断拓宽，被广泛应用于水库清淤、石油钻井和钻探破岩等方面［2］．自激脉冲射流技术的应用范围将更大，前景将更好．

喷嘴的吸气性能是影响自激脉冲射流效果的重要因素．影响自激脉冲射流装置吸气效果的因素主要包括结构参数和运行参数两方面． 国内外学者对自激振荡脉冲射流装置结构参数优化方面进行了大量研究［3－6］，对自激吸气脉冲射流喷嘴的吸气性能也进行了初步研究［7］，但都没有详细研究一定入口且深水条件下无量纲吸气量(吸气量/工作流量)随各结构参数和运行参数配比的变化规律． 笔者运用无量纲法分析了各参数配比与相对吸气量之间的影响关系，得出自激吸气脉冲射流装置的最佳吸气性能参数范围．

1 试 验

1．1 试验装置

自行研制的深水淹没射流试验系统如图1 所示．该系统由压力容器罐(图2)、自激吸气脉冲射流喷嘴、靶盘、动力设备、量测设备、稳压设备和循环管路及水池等组成．以压力容器罐作为模拟水下环境的主要载体，试验前将自激吸气脉冲射流喷嘴装置置于压力容器罐内．

图1 深水淹没射流试验系统

图2 压力容器罐装置图

1．2 试验过程

利用单级离心泵从循环水池中抽水，注入压力容器罐内，通过补水管路、回水管路、稳压设备和测压设备实现不同水深的围压模拟．围压稳定后，由多级离心泵供给压力水，通过压力控制器和闸阀按试验设计要求控制工作水压力． 工作压力水经自激吸气脉冲射流喷嘴形成的液气脉冲射流直接喷射到装有传感器的靶盘上，传感器将试验数据传递到计算机，计算机把试验产生的电信号转换成压力信号，对自激吸气脉冲射流喷嘴的性能进行分析．

1．3 试验内容

试验选取了不同的上喷嘴直径、下喷嘴直径、腔径和腔长，在指定的运行参数(工作压力、围压)下，对自激吸气脉冲射流喷嘴的吸气性能进行了试验研究，分析了无量纲参数与相对吸气量之间的关系．

2 试验结果与分析

本次试验涉及的参数个数较多，运用无量纲化方法可以减少独立参数的个数，简化试验结果分析过程．无量纲参数的数学表达式如下．上、下喷嘴面积比为

腔径与上喷嘴直径比为

腔长与上喷嘴直径比为

围压与工作压力比为

吸气量与工作流量比，即相对吸气量为

式中:d1为上喷嘴直径，mm;d2为下喷嘴直径，mm;Dc为腔径，mm;Lc为腔长，mm;Pw为围压，MPa;P0为工作压力，MPa;q吸为吸气量，m3/s;q流为工作流量，m3/s．

根据试验所得数据，以相对吸气量作为衡量自激吸气式脉冲射流喷嘴吸气性能的目标值，分别以m，Ldd，Lcd和P 为自变量，可绘制部分参数的变化关系曲线，并进行以下4 个方面的分析．

2．1 上、下喷嘴面积比m

图3 为不同围压的相对吸气量q 在不同工作压力下随面积比m 的变化曲线．

图3 不同围压下，面积比m 与相对吸气量q 的无因次图

由图3 可知，随着工作压力的增加，相对吸气量q 随面积比m 的变化曲线逐渐上升，工作压力越大，相对吸气量q 也越大;在围压为0．1 MPa 和0．2 MPa时，相对吸气量q 随着面积比m 的增加而增加;而在围压为0．3 MPa 和0．4 MPa 时，相对吸气量q 在面积比m =4．0 ～5．5 时的吸气量最佳，m ＜4．0 或m ＞5．5 时的吸气量减小．

经分析知:随着工作压力提高，射入自激吸气脉冲射流发生装置的流体增多，单位质量射流的动能增大，腔内负压区增加，对空气的卷吸作用增大，提高气体吸入量．同时，面积比m 过小时，大部分流体不能及时从装置下喷嘴射出，与碰撞壁作用后在腔体内堆积，蓄积的能量不能及时释放，使腔内负压区减小，影响了对气体的卷吸作用;面积比m 过大则会使从核心区射出的高速流体直接从下喷嘴射出，不能与碰撞壁作用形成有效的负压区，对空气的卷吸作用减弱，从而影响相对吸气量．由于本次试验条件限制，围压为0．1 MPa 和0．2 MPa 时的最优相对吸气量对应的面积比不太明确，有待进一步确定．

2．2 腔径与上喷嘴直径比Ldd

图4 为不同围压下的相对吸气量q 在不同工作压力下随腔径与上喷嘴直径比Ldd的变化曲线．

图4 不同围压下，腔径与上喷嘴直径比Ldd与相对吸气量q 的无因次图

由图4 可以看出:在试验范围内，不同围压下相对吸气量q 随腔径与上喷嘴直径比Ldd的变化趋势基本相同，均在Ldd=9．5 时，相对吸气量q 达到最大值．在4 种围压条件下，均在Ldd=12．0 时，q 达到最小值;而在Ldd=12．5 时，q 又突然增大． 因此，当腔径与上喷嘴直径比为9．5 时，水下自激吸气脉冲射流喷嘴的吸气性能较好．

经分析可知，来流流量一定时，上喷嘴直径的大小直接影响单位质量流体射流的动能以及与碰撞壁作用后腔内形成负压区的程度，从而影响射流涡环气团的形成情况．腔径是射流能量传递的主要区域，腔径的大小将直接影响上喷嘴出口射流在腔体内的径向发展程度，从而影响涡环扰动幅度的大小，相继影响自激吸气过程的发生，两者配合存在可促使相对吸气量参数配比处于较优状态．

2．3 腔长与上喷嘴直径比Lcd

图5 为不同围压下的相对吸气量q 在不同工作压力下随腔长与上喷嘴直径比Lcd的变化曲线．

由图5 可知:在4 种围压下，相对吸气量q 随腔长与上喷嘴直径比Lcd的变化曲线基本一致;在Lcd≤8．5时，相对吸气量q 随腔长与上喷嘴直径比Lcd的增加基本呈直线上升;当Lcd＞8．5 时，q 随Lcd的增加急剧上升，因此，当Lcd＞8．5 时，水下自激吸气式脉冲射流喷嘴的吸气性能较好．

经分析可知，随着Lcd的增加，上喷嘴出口射流能量增加使腔体内部形成较多的涡环气团，且随着腔长的增加气团有较充足的发展空间，能够形成较大的涡环气团，促使相对吸气量增大．

图5 不同围压下，腔长与上喷嘴直径比Lcd与相对吸气量q 的无因次图

2．4 围压与工作压力比P

图6 为不同下喷嘴直径下围压与工作压力比P与相对吸气量q 的关系曲线，图中10 －120 －70 表示结构为上喷嘴10 mm、腔径120 mm、腔长70 mm的射流喷嘴．

图6 不同下喷嘴直径下，围压与工作压力比P 与相对吸气量q 的无因次图

从图6 中可以看出:不同下喷嘴直径下相对吸气量q 随P 的变化规律基本相同;相对吸气量q 均随着P 的增大呈现先减小后增大的趋势，且当P =0．19 时，相对吸气量处于最低． 因此最不易选取的点为P=0．19 处．

经分析可知，围压的增加对腔内负压区增加有抑制作用，射流内部涡环气团不易发展，从而影响装置对空气的卷吸作用，促使相对吸气量减小．

3 试验研究成果

1)m=2．5 时，相对吸气性能不好，不宜选取，最优相对吸气量对应的面积比m 与围压有关．

2)围压为0．1 MPa 和Ldd为9．5 ～10．5 时，装置的吸气性能较好;围压为0．2 MPa 和Ldd为9．5 ～11．5 时，装置的吸气性能较好;围压分别为0．3 MPa和0．4 MPa 和Ldd为9．5 ～10．5 时，装置的吸气性能较好．

3)当Lcd＜8．5 时，相对吸气量q 随Lcd的增大呈线性增大;当Lcd≥8．5 时，各围压下相对吸气量q 随Lcd增大而增大的速度不同，Lcd=9．5 时相对吸气量q 最大．

4)围压与工作压力之比P 对相对吸气量q 的影响很大，P=0．19 是一个分界点．在该结构下相对吸气量q 随P 的增大是先减小后增大，而相对吸气量q 减小或增大的速度取决于围压与工作压力之比P 和下喷嘴直径．

4 结 语

对自激吸气脉冲射流喷嘴的吸气性能进行了大量的试验研究，分析研究了一定入口条件下各结构参数和运行参数配比对自激吸气脉冲射流喷嘴相对吸气量的影响，得出了深水条件下相对吸气量随自激脉冲射流装置各无量纲参数的变化规律，确定了产生高效能脉冲射流相对吸气量的无量纲参数的范围，为自激吸气脉冲射流装置的结构优化设计提供了理论依据．

［1］Xin Sun，Koji Shiono．Flow resistance of one-line emergent vegetation along the floodplain edge of a compound ehannel［J］．Advances in Water Resources，2009，32:430 －438．

［2］王乐勤，王循明，徐如良，等．低压大流量自激振荡脉冲射流喷嘴结构参数优化研究［J］． 流体机械，2004，32(3):7 －10．

［3］裴江红，唐川林，张凤华，等．非淹没射流条件下自激振荡脉冲射流喷嘴试验研究［J］．矿山机械，2006，34(10):96－98．

［4］王循明．自激式脉冲射流装置性能影响因素数值分析及喷嘴结构优化设计［D］．杭州:浙江大学，2005．

［5］廖振方，唐川林，张凤华． 自激振荡脉冲射流喷嘴的试验研究［J］．重庆大学学报:自然科学版，2002，25(2):28 －32．

［6］高传昌，雷霆，王好锋，等．低压大流量自激式脉冲射流喷嘴装置性能参数试验研究［J］．华北水利水电学院学报，2010，31(2):47 －51．

［7］高传昌，黄晓亮，赵礼，等．淹没水流自激吸气式脉冲射流喷嘴吸气性能［J］．人民黄河，2012，34(4):20 －25．