深水自激吸气式脉冲射流装置冲击特性的试验研究

高传昌，马文良，刘新阳，解克宇，王猛飞，胡亚州(华北水利水电大学，郑州 450011)

近年来，随着水下射流技术的蓬勃发展和应用，产生了一些新型的射流如空化射流、磨料射流、脉冲射流等[1]。脉冲射流技术由于其打击力大、清洁、高效的特点近些年被广泛应用于油罐清淤、石油钻探、渔业充氧等领域[2]。理论分析方面，利用边界层理论和波涡理论对高压小流量的自激脉冲射流产生的机理进行了研究[3]；频率振动方面，基于水声学与流体动力学原理建立自振脉冲气液射流模型，对其振动特性分析时域及频域特征[4]，根据相似系统原理和流体网络理论建立了自激振荡脉冲射流喷嘴装置的等效网络模型，用系统传递函数推导了系统频率特性方程并进行了数值计算[5]；数值模拟方面，利用了数值模拟的方法对自激脉冲射流进行了研究与分析[6,7]；结构参数方面，探究与分析了喷嘴各参数变化对低压大流量自激振荡脉冲射流装置能耗的影响[8]；冲蚀性能方面，对深水自激吸气脉冲射流装置的冲蚀性能展开研究[9]。目前，国内外关于围压下自激脉冲射流研究的多为高压小流量[10]，且对适用于清淤的有围压的脉冲射流的研究较少，尤其是深水条件下，为此，笔者自行研制了一种适用于深水条件下的新型低压大流量自激吸气式脉冲射流装置，并在前期的大量试验中已经证明自激脉冲射流装置的性能吸气时比不吸气时好[11,12]，本文对不同围压和靶距对低压大流量自激脉冲射流冲击特性的影响展开试验研究，以期为自吸气脉冲射流技术在深水条件下的射流清淤应用提供技术支持。

1 试验装置及试验内容

1.1 试验装置

图1为自激吸气式脉冲射流装置，包括自激振荡腔室、上喷嘴、碰撞体、下喷嘴、吸气孔和进水段，其中吸气孔共4个，内径6.5 mm，沿腔体周向均匀布置。压力容器罐是模拟水下射流环境的关键设备，结构如图2所示，主要由进水口、安全阀口、注水孔口、靶盘调节装置、测压盖板和泄水口组成，自激吸气式脉冲射流装置采用固定夹具固定于罐内。

图1 自激吸气式脉冲射流装置

图2 水下射流模拟装置-压力容器罐

图3为水下射流循环试验系统图，其工作过程如下：单级离心泵给压力容器罐注水，注满后多级离心泵供给压力水，电磁流量计测量压力水流量，闸阀按试验设计要求控制工作压力和围压，安全阀用于控制围压上限，保证罐体安全运行，在水流经过自激吸气式脉冲射流装置时形成脉冲射流，直接喷射到靶盘上产生压力信号，然后通过压力传感器将压力信号传输到数据采集系统，通过计算机进行存储并分析，其中在装置运行时的吸气量由气体涡轮流量计测得。靶盘调节装置用于调节靶距，靶盘上的压力测点分布在靶盘中心及半径15 mm处(第一圈)、半径25 mm处(第二圈)、半径35 mm处(第三圈)、半径45 mm处(第四圈)，如图4所示。数据采集系统包括信号调理器、数据采集仪，用于接受和处理压力传感器的信号，在计算机上运用振动信号采集、分析软件对压力信号进行分析和存储。

1-多级离心泵；2-电磁流量计；3-闸阀；4-压力表；5-自激吸气式脉冲射流喷嘴；6-压力容器罐；7-靶盘；8-压力传感器；9-测试系统；10-计算机；11-单级离心泵图3 水下射流循环试验系统

图4 靶盘压力测点分布(单位：mm)

1.2 试验内容

试验采用的围压为0.2～0.6 MPa(模拟水深20～60 m)，脉冲射流靶距为60～180 mm和工作压力2.2 MPa，对自激吸气式脉冲射流装置的冲击性能进行试验，测试了射流冲击力在靶盘上的分布特性。

2 试验结果与分析

2.1 下喷嘴直径对装置吸气量的影响

将围压下每个下喷嘴直径在不同靶距测得的吸气量进行求和并平均，得到下喷嘴直径对装置吸气量的影响曲线图，如图5所示。由图中可以看出下喷嘴直径为14 mm时，围压在0.2～0.4 MPa之间，吸气量基本无变化，围压在0.5～0.6 MPa之间，吸气量下降较快，说明下喷嘴直径14 mm时，吸气效果不好；下喷嘴直径16 mm时，吸气量最大，随着围压的增加，吸气量在11.11～9.22 m3/h范围内变化；下喷嘴直径18 和20 mm时，吸气量相差不大，分别在10.24～8.42 m3/h和10.14～7.88 m3/h范围内变化；下喷嘴直径22 mm时，围压较低时吸气量较大，随着围压的增加，吸气量下降较快。通过以上分析可知，装置吸气效果在下喷嘴直径为16、18、20 mm时明显比下喷嘴直径为14、22 mm时好。

图5 下喷嘴直径对吸气量的影响

2.2 不同围压下靶距对靶盘上分布测点的冲击力的影响

因文章篇幅限制，且下喷嘴直径为14、16、18、20、22 mm时，靶盘上分布测点的射流冲击力随靶距、围压变化的规律相似，故本文中只给出了下喷嘴直径为18 mm时，不同围压下(0.2～0.6 MPa)，靶盘中心、第一圈、第二圈、第三圈、第四圈冲击力随靶距变化的曲线，如图6所示。由图6可知，在整个围压范围内，靶盘中心冲击力随着靶距的增加逐渐减小，且减小的趋势逐渐平缓；第一圈冲击力随着靶距的增加而减小，减小的趋势相对平稳；靶盘第二圈、第三圈、第四圈的冲击力随着靶距的增加而增加，且增加趋势逐渐上升。根据轴对称紊流淹没射流轴心线上的速度分布[1]，轴心线上的速度先迅速减小后缓慢减小，故靶心冲击力也先迅速下降后缓慢减小；第一圈位于射流能量核心区，随着冲击射程的增加，射流要克服的阻力增加且能量逐渐向外扩散，使得能量逐渐减小，速度减小，冲击力逐渐减小；随着靶距的增加，射流剪切层分离产生的漩涡逐渐发展完全，能量逐渐向外传递，远离轴心部分速度逐渐增加，使得靶盘第二圈、第三圈、第四圈的冲击力随着靶距的增加而增加，且增加趋势随靶距增加而上升。

同时由图6可知，随着围压的增大，射流冲击力逐渐减小。这是因为随着围压的增大，射流受到的阻力也随之增大，能量损耗增加，射流速度逐渐减小，射流冲击力逐渐减小。

2.3 装置冲击力在不同靶距下的分布特性

由2.1小节分析中可知下喷嘴直径14和22 mm时，吸气量在高围压下降迅速较快，所以选择了下喷嘴直径16、18、20 mm进行分析，如图7～9所示，围压下射流冲击力分布情况。

图6 不同围压下靶距与靶盘上分布测点的冲击力之间的关系

图7 下喷嘴直径16 mm时，围压下射流冲击力分布情况

可以看出，下喷嘴直径16、18和20 mm的分布特性基本一致，同一围压下，随着靶距的增加，射流冲击力分布曲线逐渐平缓；高围压下，在大靶距内出现一个现象，射流最大的冲击力并不在射流轴心处，而是在偏离轴心一段径向距离处，且下喷嘴直径20 mm比下喷嘴直径18 mm明显，下喷嘴直径18mm比下喷嘴直径16 mm明显。在本试验条件下，这个距离为15 mm左右。这是由于，在大靶距下，射流的漩涡结构逐渐发展完全，且流场中高低速流体的相互卷吸作用，使得射流在离射流轴心一段距离处形成环状的边界层，边界层内较大压力梯度的存在，有利于漩涡的发展壮大。而在射流轴心，射流能量相对集中，速度较大，使得轴心处的旋涡尺寸小于边界层的漩涡，使得环状边界层内能量逐渐增加，轴心处能量逐渐减小，从而导致在偏离轴心一段径向距离的射流冲击力最大，这也与文献[13]的研究类似。

图8 下喷嘴直径18 mm时，围压下射流冲击力分布情况

图9 下喷嘴直径20 mm时，围压下射流冲击力分布情况

3 结 语

通过试验对自激吸气式脉冲射流装置的冲击特性进行了研究，分析了下喷嘴直径对吸气效果的影响，靶距、围压对装置射流冲击分布特性的影响，得出了以下结论：下喷嘴直径为16、18、20 mm时装置的吸气效果最佳；靶盘各圈测点冲击力分布规律是不同的，在靶盘靶心和第1圈，射流冲击力随着靶距的增加而减小，而且围压越高冲击力变化越平缓，第2圈至第4圈射流冲击力随着靶距的增加而增加；在同一下喷嘴直径下，围压越高冲击力越小，在同一围压下，靶距越大冲击力分布越平缓，在高围压和大靶距时，射流最大冲击力不在射流轴心处，而是偏移射流中心径向一段距离处，偏移距离约15 mm。试验只对自激吸气式脉冲射流装置的冲击特性进行了试验，对于其他方面的特性还需进一步通过试验进行探讨。

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[4] 唐川林,胡 东,张凤华,等.自振脉冲气液射流振动分析[J].力学学报.2013,45(4):534-540.

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