高压水射流清洗参数实验研究

王丽萍， 蔡晓君， 窦艳涛， 巢鑫迪， 王妍陶

(1. 北京石油化工学院 机械工程学院， 北京 102617； 2. 北京化工大学 机电工程学院， 北京 100029)

高压水射流清洗参数实验研究

王丽萍1，2， 蔡晓君1， 窦艳涛1， 巢鑫迪1， 王妍陶1

(1. 北京石油化工学院 机械工程学院， 北京 102617； 2. 北京化工大学 机电工程学院， 北京 100029)

研发了一种高压水射流实验台，测试了不同靶距和入射角对射流打击力的影响。结果表明，射流打击力随靶距的增加呈先增后减，160 mm为最佳靶距，打击力最大，具有较好的污垢清洗效率。由于非淹没射流结构特性，靶距过大和过小都不处于有效射流段，使打击力减小，从而达不到去污目的。同时，通过对最佳靶距及最大打击力进行理论验证，表明该实验台测试数据合理可靠。通过调节喷嘴安装角度来改变入射角，得出小的入射角可以获得较大的射流打击力，角度为0°时，即为垂直打靶，打击力最大。该实验台不仅为今后高压水射流现场清洗工作提供理论与实验支撑，还可以确定不同直径喷嘴在各种直径管道下高压水清洗时的清洗参数，以及适用于高压水射流破岩等其他方向的参数研究。

清洗参数； 高压水射流实验台； 最佳靶距； 最佳打击力

0 引 言

高压水射流技术起源于“水滴石穿”现象，是一种将能量聚集于喷嘴处使流体以射流的运动形式出来的技术。该技术是从防止水滴→水束→水射流的破坏作用的研究理念，到该破坏能力的反利用研究的转变而诞生的。随着人们对污垢问题的认识及研究力度的增加，应用于清洗除垢的高压水射流技术(即高压水射流清洗技术)在多个行业迅速发展起来[1]。

迄今为止，高压水射流清洗技术已经广泛应用到汽车、化工换热器以及储罐等的清洗作业中，具有低成本、节能环保、高效率等优点，被世界各国所青睐[2]。据统计，高压水射流工艺清洗量已达总清洗量的80%[3]。随着人们对高压水射流机理及相应设备的深入研究和研发，得出喷头是实现高压水射流清洗技术的关键执行元件，其所产生的水射流打击力是影响其清洗效果的重要因素[4]。张兰芳等[5]根据污垢特点，结合高压水射流破碎机理，给出了高压水射流清洗污垢的部分技术参数。许多学者[6-9]通过研究喷嘴结构参数在高压水射流清洗工作中对清洗效率的影响力设计出了诸如扇形、锥形等多种喷嘴结构。但上述工作主要集中在设备本身结构和流体特性的研究，而设备在处于高压水射流清洗工作时影响清洗质量的清洗参数方面的实验性研究较少。

本研究自主研发了一种高压水射流实验台，实验研究射流清洗参数对水射流打击力的具体影响，从而为高压射流清洗工作提供参考依据。

1 高压水射流清洗原理及参数

1.1 清洗原理

高压水射流清洗根据不同的清洗对象和要求，采用射流形式和执行机构不同，但其原理可总结为：① 高压水的产生，即由高压发生装置打出具有一定压强的高压水，通过与之配套使用的水管到达喷嘴；② 水流从喷嘴射出，这可看成是水流在圆管流动过程中截面突然变大的情况，从而使高压低流速的水转换为低压高流速的射流；③ 高流速的射流正向或切向冲击被清洗面，并产生冲击力和剪切力，这些力则会对污垢产生冲击、动压力、磨削等作用，使垢层被冲蚀、渗透、剪切、破碎，最终从清洗面上剥离下来[10]。

水射流对清洗面(靶面)的打击力是影响清洗效果的关键因素，而高压水流从喷嘴射出来打到靶面上包含了2个变量：入射角及靶距，是打击力的关键定量参数[11-12]。

1.2 入射角

污垢对壁面有着较强的附着力，故射流清洗时，射流对壁面的作用力必须达到一定的临界值[13]才能满足垢层的去除要求，从而达到清洗目的。水射流打击力可分解为水平和垂直分量。其中，水平分量对靶面污垢起切削作用，即为剪切力，决定着前行速度的快慢；垂直分量则为冲击力，对污垢起渗透、破碎作用，若垂直分量低于临界值，射流则只掠过垢层表面而不能起到清洗。射流打击力在不同入射角的分解下得到的冲击力不同，因此，为提高清洗效率，不仅需要较大的射流打击力，还需要该力下能够获得较大的冲击力。

1.3 靶 距

清洗作业所需要的水射流通常为非淹没射流，其结构如图1所示[14]。水射流喷嘴对流体的约束可以使得水射流速度迅速增加，如进口压力55 MPa时，射流速度就能增加至超音速；而当射流进入空气之后，由于紊流引起了射流功率损失，使得紊流区射流速度随着射流距离的增加而降低，最终导致没有足够的能量有效清洗靶件。因此，高压水射流清洗主要运用核心段水流清洗污垢。由此表明：从射流结构特性而言，实验中在进行高压水射流清洗时应当考虑靶距的影响。

1-原始段, 2-基本段, 3-发散段

图1 非淹没水射流结构图

同时,就理论研究发现而言，射流作用于物体表面的实际打击力不仅取决于射流基本参数，同时也与喷嘴与物体间的距离有关，称之为靶距。连续高压水射流冲击被清洗物体过程中，由于喷嘴出口处射流较紧密，冲击后沿物体表面流出，打击力大小有限；当靶距增大时，射流扩散，冲击物体后引起大量液体反溅，会增大对物体的打击力；但随着靶距的继续增大，射流速度将会降低，打击力也就随之减小。

因此，研究射流打击力与靶距的变化关系，对于研究射流性能参数尤为重要。通常把射流对物体表面的打击力最大时的靶距称为最佳靶距lopt，了解最佳靶距与射流基本参数间的关系，有利于确定射流作业的最佳工况。经过试验研究，射流打击力、靶距与射流基本参数间的关系可由下列经验关系式表示[15]：

(1)

(2)

式中:lopt为最佳靶距，mm；Fmax为最大射流打击力，N；p为射流压力，MPa；d为喷嘴出口直径，mm。Fmax一般为(0.6～0.85)F，射流压力大、喷嘴直径小时，取较大值；反之，取较小值。

2 高压水射流清洗实验

2.1 射流清洗实验的装置及原理

自主研发的一种测量小直径高压水射流参数的实验装置如图2所示，包括高压软管、压力表、喷头、靶板和压力传感器以及数据显示仪等。实验选用YLC280型的高压水泵，额定工作压力8 MPa，实验泵压5 MPa，流量9.8 L/min；与泵连接的高压软管其能够承受的工作压力可达60 MPa；装置上的压力表型号为YTN-60，其值为喷嘴的出口压力；喷嘴直径为1 mm，可通过调节喷嘴上的压力阀来控制射流压力；整个实验台以工字梁为底座，并设有2个平行导轨，导轨上安装着带有喷头的滑块，该滑块与滚珠丝杆配合，通过丝杠的转动达到调节靶距(喷头到靶板的距离)；靶板所在的工作台安装在装置右侧，通过蜗轮蜗杆转动原理使工作台转动，继而使靶板转动一定角度来反映射流角度，角度的大小由其上黏贴的量角器读取，且靶板起始位置与量角器90°刻线垂直；同时在靶板上装有测力传感器，用于测量水射流打靶压力。在实验过程中需要注意:① 喷头必须被夹紧以防止其窜动而造成测力误差;② 喷头到传感器的有效距离最大为300 mm。

图2 实验台实物图

整个实验装置的工作情况即可简述为，泵通过软管将高压水送到喷头处，初始时，喷头保持水平布置，通过滚珠丝杆的转动来实现不同靶距下的水射流测量；调整靶板工作台的角度，研究不同入射角和靶距对水射流的影响。

2.2 实验参数的确定

由上述实验原理可知，在实验过程中，靶距、泵压力、喷嘴安装角度(入射角)、喷嘴直径等是确定射流打击力与射流清洗参数关系的重要数据，其中喷嘴安装角度由靶板的转动角度来表示，角度为0°时，喷嘴垂直打靶。因此确定如下实验参数进行射流清洗参数实验测试:靶距(直尺),mm;射流压力(压力阀),MPa;射流打击力(压力传感器),N;安装角度(量角器);喷嘴直径(直尺),mm。

2.3 实验台测试的主要步骤及数据

(1) 实验开始阶段，压力显示器上数值调为零。

(2) 开始实验，打开喷头阀门，泵上的压力阀显示为4 MPa，喷头处的压力阀的数值为3 MPa，过程中存在压力损失。

(3) 调试不同靶距，距离范围在100～200 mm，间隔10 mm。

(4) 因为压力传感器接触面积较小，所以调整角度设为0°～30°，间隔为10°。

图3 实验台所测数据

3 实验结果分析

图4是根据图3得出不同角度和靶距与射流打击力的曲线关系图。由图可见，喷嘴直径、流量压力以及安装角度相同情况下，射流打击力先随着靶距的增加而增加，当靶距为160mm时，打击力达到峰值(即最佳打击力)，随后靶距的增加反而使打击力减小。由此说明，打击力并不与靶距呈正比或反比的关系，而是先增后减的关系。这就表明打击力势必存在一个最大值，也就必然存在一个与之对应的靶距，即为最佳靶距。与此同时，比较相同靶距、不同安装角所对应的4个点，可以发现，靶距一定时，安装角增大，打击力减小，清洗效果减弱。

图4 不同角度和靶距与打击力的关系

4 结 论

本研究利用自主研制的高压水射流清洗实验台，实验模拟了高压水打靶清洗过程，通过对实验参数的控制与调整得出以下结论：

(1) 射流打击力随靶距增加而呈先增后减，这与非淹没射流结构特性有关，即当靶距增大时，射流扩散，冲击物体后引起大量液体反溅，会增大对物体的打击力；但随靶距继续增大，射流速度将会降低，打击力也就不断减少。

(2) 靶距一定下，射流打击力与入射角成反比，当入射角为0°(即垂直打靶)时，射流打击力最大。但是在进行自进式二维旋转喷头设计时，入射角不仅影响清洗效率，更是关系着装置的自进力的大小，因此需考虑在最佳靶距附近确定合适射流角度，保证了射流参数的合理性。

总的来说，自主研制的实验装置既可以验证水射流参数计算的正确性，还能实验模拟射流清洗作业、确定清洗参数，为自进式清洗装置及旋转喷头的设计提供合理的理论计算和有效的实验支撑。

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Experimental Research of High Pressure Water Jet Cleaning Parameters

WANG Liping1,2, CAI Xiaojun1, DOU Yantao1， CHAO Xindi1， WANG Yantao1

(1. Colledge of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China;2. Colledge of Mechanical and Electrical Engineering , Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

A high pressure water jet test bench was developed in this paper, and the effects of target distance and angle to the jet hitting force were studied. The results show that, the jet force increases first and then decreases with the increase of the distance. The optimal target distance is 160mm with the largest force which removes dirt mostly. Due to the structural characteristics of non-submerged water jet, the force decreases when the target distance is too large or too small, and makes water jet less effective. The theoretical verification shows that the test bench is reasonable and reliable. By adjusting the angle, it draws a conclusion that a small angle can produce larger jet force. When the angle is down to 0°, calling the vertical shooting, the force reaches the maximum. This test bench not only provides theoretical and experimental supports for the high pressure water jet cleaning work at the scene in the future, but also determines the parameters of nozzles in difference sizes cleaning pipes, and the parameters on other fields of high pressure water jet, such as rock breaking.

cleaning parameters; experiment platform of high pressure water jet; optimal target distance; best force

2016-11-03

北京自然科学基金项目(3132010)

王丽萍(1990-)，女，四川渠县人，硕士生，主要从事化工设备方面的研究。

Tel.：13120376422； E-mail：wangliping0321@126.com

蔡晓君(1963-)，女，上海人，教授，硕士生导师，主要从事机械设计的教学与科研工作。

Tel.：13611057250；E-mail：caixiaojun@bipt.edu.cn

TE 988

A

1006-7167(2017)08-0048-04