深水自激吸气脉冲射流装置冲蚀性能试验

高传昌，苏泊源，张世斌，刘彩萍，李 航

(华北水利水电学院电力学院，河南郑州450011)

自激脉冲射流作为一种新型射流技术，其装置具有结构简单、体积小、无附加外部驱动机构、成本低廉和可靠性高等优点，目前得到了广泛应用和发展.国内外学者通过理论分析、数值模拟和试验等方法对其进行了大量研究［1-5］，研究对象主要针对中、高压小流量［6-9］，应用范围多集中于清洗、切割、破土、破岩和石油钻探［10-11］等方面.低压大流量射流技术在深水清淤方面具有较好的发展前景，但针对其研究较少.

目前，深水水库的库底泥沙处理仍是一个世界性难题，传统的机械清淤、泄洪清淤及射流技术不能适用于深水水库的泥沙清淤，为解决这一实际工程问题，笔者的课题组研制出一种适用于深水条件下的新型自激吸气脉冲射流装置，利用自制的淹没射流试验系统，在结构参数一定时，对装置自激吸气脉冲射流装置性能进行试验，运用量纲归一的分析方法对其装置性能进行研究，得到相应的冲击力与射流冲蚀效果，确定冲蚀效果与运行参数的对应关系，为射流技术在深水条件下的作业提供技术支持.

1 试验装置和试验内容

1.1 试验装置

自激吸气脉冲射流装置示意图如图1所示，该装置布置在可模拟不同水深条件的压力容器(图2)内.除射流装置外，整个试验系统(图3)还包括动力设备、电磁流量计、闸阀、压力变送器(精度0.5%，极限误差0.81%)、计算机及循环管路等.试验过程如下:由补水管路、回水管路、安全阀和测压设备实现不同水深的围压模拟，由离心泵供给压力水，通过压力控制器和闸阀按试验设计要求控制工作水压力(工作水流量由电磁流量计测量)，工作压力水经自激吸气脉冲射流装置形成的脉冲射流直接喷射到装有压力变送器的靶盘(或装有冲蚀样本的冲蚀容器)上，对冲击力和冲蚀破坏形态进行分析.

图1 自激吸气脉冲射流装置示意图

图2 压力容器装置

图3 深水条件射流试验系统

1.2 试验内容

试验选取的自激吸气脉冲射流装置的结构参数:上喷嘴直径为8 mm;下喷嘴直径为14 mm;腔径为85 mm;腔长为40 mm;吸气管径选择为6.5 mm;根数为4根，沿腔体呈轴向对称布置.运行参数:工作压力为0.8～2.0 MPa;吸气工作压力根据装置开始自行吸气情况而定;模拟水深h为10～60 m;靶距为50 mm.对上述不同工作压力、淹没水深进行试验，得到对应的冲击力和冲蚀效果，冲蚀试样选用粉状专用脂，具体物性指标如表1所示，并对该装置的自吸气量进行测量.试验过程中，不同工作压力及水深条件下，自激吸气脉冲射流的冲蚀时间均为5 min，压力容器中水温变化范围为0～5℃.

表1 粉状专用脂主要物性参数

2 试验结果及分析

2.1 评价指标

为了分析运行参数对装置性能及冲蚀效果的影响规律，运用量纲归一法采用如下参数进行研究.

相对冲击力为

式中:p为靶心冲击力时均值(由信号采集系统测量)，MPa;p0为工作压力，MPa.

吸气效率为

式中:Qg为自吸气量，m3·h-1;Ql为液体流量，m3·h-1.

相对冲蚀面积为

式中:A1为冲蚀表面积，cm2，网格最小格为1 cm2的用网格法测量;A0为冲蚀试样总表面积，cm2.

相对冲蚀深度为

式中:H1为冲蚀最大深度(深度游标卡尺测量)，cm;H0为冲蚀试样总深度，cm.

相对冲蚀体积为

式中:V1为冲蚀体积，cm，采用填水法测量;V0为冲蚀试样总体积，cm3.

2.2 吸气对装置性能及冲蚀效果的影响

装置在模拟水深10～60 m条件下，吸气和不吸气2种状态装置性能的对比图如图4所示.不同水深条件下，装置在吸气与不吸气2种条件下相对冲蚀深度的对比图如图5所示.

从图4，5可以看出:水深在10～60 m时，装置在吸气和不吸气条件下，射流相对冲击力均随工作压力的增大而增大，且增大的速度随水深的增大而逐渐减小，但在相同水深和相同工作压力条件下，自激吸气脉冲射流的相对冲击力较不吸气条件均有显著提高.分析认为:随着工作压力的增大，单位质量流体的动能增大，作用在靶盘上的射流滞止压力也随之增大，因此，2种条件下的相对冲击力均随工作压力的增大而增大.相同环境下，由于腔内气体的存在，装置内射流核两侧出现对称分布的涡环气团(见图6)，对腔体入口处来流造成影响，流体在腔内发生反馈、积聚、释放的循环过程，装置出口处射流冲击力得到提高.

图4 吸气与不吸气对装置性能影响

图5 相对冲蚀深度对比图

图6 腔室内涡环气团

低水深条件下(h≤35 m)，自激吸气脉冲射流的相对冲击力和相对冲蚀深度较不吸气大，射流能量分布较集中，主要在射流轴向方向，而随着水深的增加(h＞35 m)自激吸气脉冲射流的相对冲蚀深度比不吸气时略小，由于水深增大的影响，射流能量沿径向分布较平缓，轴向射流冲击力减小，径向射流冲击力反而增大(见图7)，随着水深的增大，围压对装置出口射流的影响也增大，射流能量在轴向方向衰减迅速，朝径向方向的扩散作用增强，射流能量分散，冲蚀效果减弱.水深10～60 m条件下，工作压力一定时，装置吸气与不吸气2种情况射流冲击力在靶盘上的分布规律如图7所示.水深10～60 m条件下，装置在吸气和不吸气2种条件下相对冲蚀表面积对比图如图8所示.

图7 射流冲击力分布规律

图8 相对冲蚀表面积对比图

从图7，8可以看出:相同条件下，自激吸气脉冲射流在射流轴向的相对冲击力均较不吸气时大;低水深条件下(h≤35 m)，径向相对冲击力较不吸气的大，随着水深的进一步增大，径向相对冲击力反而较不吸气略小;自激吸气脉冲射流的有效冲击范围和相对冲蚀表面积比不吸气时大;由于装置吸气后，流体裹挟气体从装置出口处射流，气体受自身可压缩性和轴向来流的影响，在单位质量的气液混合流冲击冲蚀样本时，气体微团沿径向迅速扩散，轴向和径向的冲击力都有所提高，对冲蚀样本沿径向的剥蚀作用强.

不同水深条件下，装置在吸气与不吸气2种条件下相对冲蚀体积的对比图如图9所示.

图9 相对冲蚀体积对比图

相同水深和相同工作压力条件下，自激吸气脉冲射流的相对冲蚀体积较不吸气条件有显著提高，但随着水深的增加，其提高幅度减小.相对冲蚀体积受相对冲蚀表面积和相对冲蚀深度的综合影响，在装置自吸气时，装置出口处为气液两相混合流，混合流对冲蚀材料的剥蚀和悬浮作用强，因此，吸气较不吸气时的冲蚀效果得到显著提高.综上所述，吸气是提高装置性能和冲蚀效果的有效途径.

2.3 工作压力与水深对装置性能的影响

装置在水深10～60 m条件下，随工作压力的增大，相对冲击力的变化规律如图10所示，在整个水深变化范围内，随着工作压力的增大，装置相对冲击力基本呈线性规律缓慢增大;工作压力一定时，随着水深的增大，相对冲击力减小.分析认为:随着水深的增大，环境对装置出口射流能量的衰减作用增强，因此，水深的增大对装置性能造成负面作用.

图10 工作压力与水深对相对冲击力的影响

由于吸气是影响装置性能的重要因素，为了更好地对其进行研究，图11反映了装置吸气效率、工作压力和水深的关系，装置结构参数一定时，吸气效率受到工作压力和水深的共同影响，在整个水深变化范围内，随着工作压力的增大，吸气效率先迅速后缓慢增大，整体呈对数型规律.工作压力增大，使腔内负压区面积增大，有利于自激吸气过程的进行;工作压力一定时，随着水深的增大，装置吸气效率下降，随着水深的增大，腔内负压区减小，削弱了装置自激吸气的能力.

图11 工作压力与水深对吸气效率的影响

从上述分析可知:装置结构参数一定时，吸气对提高装置性能具有显著效果，而工作压力和水深对装置吸气效率均有影响，但影响趋势恰好相反.为了对3个因素之间的关系进行分析，通过数学建模和回归分析的方法，确定了三者之间的函数关系:

式中:q为吸气效率;x=0.013 3h2-0.465 7h+24.726;y=-0.004 5h2-0.061 6h+12.115.

3 结论

相同条件下，自激吸气脉冲射流的相对冲击力和冲蚀效果较不吸气条件均有显著提高，吸气对提高装置性能及射流冲蚀效果作用显著;吸气效率受到工作压力和水深的共同作用，随工作压力的增大而增大，随水深的增大而减小;在整个水深变化范围内，随着工作压力的增大，装置相对冲击力基本呈线性规律缓慢增大，吸气效率则呈对数型规律增大.

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