航道缠绕物水射流清除特性和机理

刘兆存，余 葵，孙 鹏，周世良，赵 藤，王晓青,2

(1.重庆交通大学 西南水运工程研究所，重庆 400074; 2.重庆交通大学 内河航道整治技术交通行业重点实验室，重庆 400074; 3. 重庆交通大学 建筑与城市规划学院，重庆 400074)

0 引 言

航道中，锚缆和航道标识以及维护等部件常常被各种缠绕物所缠绕，缠绕物包括树木的枯枝(如竹子、藤条等)，杂草以及庄稼收割后的剩余部分(如玉米秆，水稻秆等)，生活用品(如蛇皮袋，聚乙烯袋和塑料袋)，废弃的衣服(如秋裤，上衣，棉被等)，金属或塑料工业品，锅碗瓢盆，以及其他众多的成分。清除这些缠绕物是困扰航道工作者多年的难题。虽然摸索了多种方法清除这些缠绕物，但每种方法都有一定的适用范围，这一难题并未从根本上解决。

目前为止，清除缠绕物的方法，如机械抓取，激光破碎，人工清除等一直没有得到一线工作人员的认可。缠绕物清除的装置，要具有良好的易操作性、效率高、易维护、能够适应复杂的航道环境，对于多种缠绕物有广泛的适应性。长江航道局就此清除技术，委托下属多家单位分别攻关。2017年9月，长江航道局在重庆组织了多家单位攻关成果的长江现场验收会，利用水射流清除缠绕物的方法效果相对较好。利用水射流技术清除缠绕物，虽然在其它行业，如采矿、机械制造等行业，获得了广泛的应用，但在航道维护业务中的应用，报道极少。

2016年，在实践需要的推动下，武汉航道局设立科技项目——缠绕物和草渣，以期解决困扰航道运行多年的这一难题。面向全社会公平竞争，最终，重庆交通大学承担了这一课题。课题组经过近一年的工作，经过反复优化试验，最终确定浮标锚缆缠绕物清除装置主要包括如下3部分：增压水箱、物料混合器和动力装置。其工作原理是，通过在高压水枪中混入高硬度、细颗粒的金刚砂(俗称磨料)，形成高压水射流，从而对缠绕物进行快速切割。现场的试验表明，该装置达到了预期的目的。笔者在此主要介绍该装置研制过程中的关键技术和对缠绕物的切割机理。

1 水射流

高压水射流是近年来兴起的一门技术，一般是指通过高压水发生装置将水加压，把压能转换成动能，形成高速的微细水射流。实际应用中，这种水射流的速度一般都在几百米/秒甚至上千米/秒的量级，从而具有巨大的冲击力[1-11]。因此，它又称为高速水射流。20世纪80年代中期，英国流体力学研究协会提出了将磨料注入高压泵和初始加速喷嘴之间的水流中的方法。磨料的加入使得水射流几乎可以切割任何材料，具有了类似锯条的特性。据此，人们逐步研制了现在广泛使用的水射流切割机，俗称水刀。工程中，加工过程最重精度和表面粗糙度。切割机的选型原则是效率高、耐用、费用低。而水刀加工物体时，具有切缝小、精度高、高效、光洁、环保、不破坏被切割物质的理化性质等的特点，优势明显。因而在航空航天、汽车、造船等领域获得广泛应用。高压水射流切割机目前主要有2种形式：前混合式，磨料水没有进入喷嘴前就已混合好，经过压力后喷出；后混合式，水与磨料在喷嘴中混合后立即喷出。笔者研究主要涉及后混合式切割技术。

高压水射流结构实际是紊动射流，特点是有大量的涡出现。紊动射流以冲击形态垂直作用于靶的物，为研究方便，根据流动形态，冲击射流分为自由射流区，冲击区和壁面射流区3个区域。在冲击区，射流速度的方向和大小变化最大。因为与靶的物发生了相互作用，射流的涡结构所含有的能量发生了剧烈的变化。在自由射流区，射流速度和方向变化最小，而壁面射流区变化居中。在流体力学中，为研究的方便，射流结构一般分为两个区域，即初始段和基本段(或主体段)。射流通过喷嘴出口时，近似为匀速状态，随后进入空气中。由于卷吸作用，尺寸增加，速度随着前进方向逐渐衰减。在射流初始段的核心区内，速度近似为喷嘴出口的速度。经验表明，对于自由射流，断面流速分布具有相似性，紊流射流的自模性可表示为

(1)

因为自由射流的射流压力与周围介质的压强相等，射流的射流压力沿射流x方向不变，则在x方向动量守恒。由于射流的纵向尺度远大于其横向尺度，和边界层流动的特性类似，因而可用边界层方法进行研究。在射流离开喷嘴后的初始段，流体发生剧烈的动量交换和紊动扩散，速度减小，一般可以认为中心线附近的射流保持喷嘴出口时的速度，形成射流的等速核心。在射流基本段，紊动掺混加强，平均速度进一步减少。试验表明，2区速度分布均具有式(1)所示的特性。

应用连续性方程、动量方程和能量方程，容易得到射流速度的经验公式：

(2)

喷嘴的直径d为

(3)

式中：Q为流量；c2和水头损失系数α有关，α(c2)2=1。

射流的功率pw:

pw=c3pQ或pw=c4d2p1.5

(4)

在射流切割应用中，射流反冲力也是必须了解的基本参数。在喷嘴出口处力F为

F=c5Qp1.5或F=c6d2p

(5)

射流的打击力为

(6)

管路的压力损失：

(7)

式中：A为吹扫面积；c3～c7均与水头损失系数α有关。对于某一设备的某种工况，可以认为c1～c7是常系数。具体应用中，c1～c7没有理论的确定公式，只能由试验方法确定。一般而言，除了和影响沿程与局部水头损失的因素有关外，还和设备的操作情况以及应用环境有关，除了受确定性因素影响外，还受随机性因素影响。同时，本文的公式是根据水力学理论而得到的，水力学理论是对于大量的经验和试验事实概括总结建立的。

在材料被磨料水射流切割时，单个固体颗粒的冲蚀作用是切割效果的基本度量单位，冲蚀强弱和磨料颗粒的类型、尺寸、硬度以及几何形状关系密切。试验表明，射流的结构和磨料颗粒类型、磨料浓度有关。如果磨料的颗粒粒径较小时，磨料和水流流速差较小，流速分布相对均匀；而粒径较大时，射流的切割能力增强，磨料和水流流速差变大。这些特性在磨料密度高时表现更为显著。喷嘴直径和射流轴心压力的关系为：当喷嘴直径处于某一范围时，压力不变；随着喷嘴直径的增加，射流轴心压力类似于线性(但不是线性)关系的趋势减小。当射流靶距一定时，压力最大值一般在轴线上取得。

磨料射流切割破碎能力主要是磨料颗粒的冲蚀作用造成的。冲蚀作用的强弱和磨料颗粒速度、磨料颗粒速度分布有关。经验表明，当喷嘴的长度适当长时，磨料速度虽然小于但接近流体相速度。在实际应用中，在速度差的作用下，磨料被水体加速，在喷嘴中的运动过程中，加速在继续。即使离开喷嘴后，磨料粒子在水射流的核心段内仍被加速。此后，卷吸作用使得流体速度逐渐衰减，加速作用减弱，最终二者速度接近，磨料速度达到最大值。离开喷嘴后，磨料减速比水体慢，会带动水体加速，出现上述相反的过程。综上可知，磨料射流存在最优靶距，即存在切割效能最优的距离。

研究表明，磨料速度沿射流径向的变化情况为，磨料速度在射流中心附近最大，从中心往边界过渡时，速度不断减小，速度分布呈现出类似钟形的图像。原因是由于磨料速度靠通过与水射流进行动量交换而获得。因此，对于切割设备来说，存在最佳的外喷嘴形状。

水射流切割缠绕物时，水射流能起到“水楔”的作用。水射流对柔软缠绕物的破坏除了径向冲击作用外，也有轴向的冲蚀作用。水射流剥离柔软缠绕物时，如动物的尸体和弹性较小的农作物秸秆，其过程经历挤压变形阶段、破裂阶段和切割阶段。试验表明，喷嘴形式、喷射距离、入射角度、横移速度、切割深度、靶距、喷射压力、射流功率等8个因素都对最终的切割有影响。切割深度往往与切割压力成正相关，超过最优靶距时，与靶距和横移速度成反相关。在切割压力和切割靶距、切割移动速度以及切割的靶的物处于一定范围的时候，对切割参数的选取和切割深度的预测属于定性分析。在建立经验模型时，常作如下假设：①介质为常温净水且不可压；②磨料供给连续均匀且是刚性等径的小球，喷管足够长；③连续流动。从切割的机制上而言，磨料水射流切割就是利用加速后的高能磨料颗粒对切割的靶的物进行高速碰撞冲击、磨削、积累冲蚀等作用进行的。单个颗粒的切削率Vs与很多参数有关。应用量纲分析，选取的参数主要有，磨料的速度Vm、磨料平均粒径dm、切割横移速度Vt、靶距L、磨料密度ρm、被切割材料硬度χ、被切割材料弹性模量E、被切割材料屈服强度σs、喷嘴的孔径d、被切割材料的特征长度Lc。从分析可知，单个颗粒的切削率与以上各个参数都存在着很复杂的函数关系，可表示为

Vs=f(Vm,σs,L,ρm,dm,H,d,E,vt,Lc)

(8)

根据量纲分析法，选取ρm、dm、σs为3个基本量，其余的物理量均由基本量表示，整理之后可得

(9)

切割试验表明，超过最优靶距后，靶距越大，切割深度越小，且靶距达到一定程度时，水射流基本没有切削能力。孔径对切割效果的影响主要是通过速度和磨料流量体现的。

超高压磨料水射流切割过程是一个极为复杂的非线性过程，存在着复杂形式的能量耗散与转化。目前对这一问题没有理论分析成果，只能采用经验、半经验的研究方法。因而对于水射流切割机理与模型的研究，大都采用半经验的方法，往往不同的研究方式得出了不同的结论。部分成果之间并不协调，缺少可对比性。但他们都在各自适宜的范围内得到了试验的支持。了解这些理论对理解超高压磨料水射流切割过程有一定的帮助，其中就切割深度而言，以往的研究成果和笔者所做的试验均表明，它和如下因素有关：颗粒的质量流量、压力、压力阈值、射流的横移速度、切缝宽度、被冲击材料的特性、弹性模量、塑性模量、磨料的颗粒质量、磨料的颗粒速度、射流的入射角等。

磨料水刀之父Hashish博士曾总结过影响磨料水射流的相关参数可分为4类16项，由于影响因素众多且机理复杂，包含固、液、气的耦合作用，至今仍未搞明白切割机理。尤其是单个颗粒的切削效果，由于试验和理论分析的难度，基本上处于定性的阶段，甚至不少细节处于猜想的情形。总体而言，关于磨料水射流的切割机制，目前仍处于不断的发展之中。

2 磨料水射流切割过程

与纯水射流相比，磨料水射流中磨料微粒的质量比水大且具有锋利的棱角，形成磨料和水体对靶的物耦合的冲击、磨削作用。由于磨料在水射流中分布微观看是离散的，磨料微粒组成的高速粒子束冲击产生的瞬态载荷和能量类似于离散脉冲射流的效应，增强了切割功效，深孔切割时切割能力至少是同样纯水射流效果的10倍，切割质量也较清水条件下好。

一般根据切割速度将切割过程分为3段：①初始阶段。切割开始至切割达到最高速度的时段，是切割加速的过程。②稳定阶段。是切割能力相对恒定的过程，一般也是切割过程中持续时间最长的阶段。③结束阶段。是切割减速的过程。切割已基本完毕，和初始阶段相反。理想状况下，使用磨料水射流切割相同厚度、相同均匀材料的情形下，在某一感兴趣的时段内，对于航道缠绕物，为研究方便，按照切割实施进度分为如下情况：①磨料水射流不能切穿缠绕物；②磨料水射流不能稳定切穿缠绕物；③磨料水射流能够稳定切穿缠绕物。试验表明，不同的缠绕物组合情况，切割效率不同。基于航道缠绕物清除效率和经济最优的实际需要，目前高压水射流装置的理论研究主要集中于如下两个方面：提供性能可靠的高压、超高压水射流切割、破碎系统设备；研究新型高效的水射流，以实现中、高压条件下的切割和破碎。

磨料水射流属于两相流，磨料微粒与水介质通常有不同的运动速度。流动过程中液相与固相的作用是非线性的，其速度之间是非平衡的。一般把二者速度逼近过程称为驰豫过程，用驰豫时间来表示。在水射流的外边界上将产生极不稳定的旋涡，这些旋涡处于动态的破裂和重组的过程中，横向或纵向运动的旋涡不断将切割物带离。一般而言，流场中随机分布着大大小小的旋涡，大尺度的旋涡运输能量，小尺度的旋涡耗散能量，引起质量和动量的交换，产生沿射流横向和轴向的时均速度变化。

当磨料水射流切入缠绕物时，如果喷嘴移动，则磨料水射流也随着移动，根据射流特性，此时如果下方材料还没有被完全切穿时，会引起射流束偏转，直到最大切割深度时偏转停止。随着切割的继续，此过程也在继续。切割过程一般认为由上部的切割磨损区和下部的变形磨损区构成，试验表明，切割表面波纹是由于切割磨损过程和变形磨损过程的交替出现和耦合造成的。切割时，射流的一部分以恒定速度射向缠绕物，另一部分随着切割深度的增加，加之水垫的消能作用逐渐增强，造成实际切割力减弱。由于磨料水射流和切割物的耦合相互作用，在不均匀作用力的非线性作用下，造成切割面沿切割方向的相反方向发生弯曲。因为磨料自身惯性的原因，在密度差等等因素的耦合作用下，和水射流载体偏转不同步，出现磨料颗粒与水射流分离以及磨料颗粒的局部冲蚀集中，集中部分的磨削量明显增加，在切割面上形成阶梯形状。在切割竹枝类缠绕物时，切割面上的阶梯形状尤其明显。

由于阶梯、射流束和材料之间的相互作用，材料受到发生偏转后的射流的二次冲击，加之射流边界层内各种旋涡的运动，以及引起射流横向和轴向时均速度的变化，导致材料移除率的变化，进而引起切割效果的改变，由此造成了台阶形成的原因。考虑整个过程中磨料颗粒与水之间、磨料颗粒之间的相互作用，虽然射流侵蚀能力超过材料强度的位置是不均匀的，但台阶前方的材料会像台阶形成过程一样，形成新的台阶并被稳定移除，该过程基本确定，并不断循环。试验表明，由于固、液相间时均速度差造成相间滑移和扩散运动，速度梯度和相间滑移的耦合相互作用，磨料颗粒和水射流之间的能量分布会发生变化。一般而言，在与被切割的缠绕物发生撞击时，磨料颗粒的能量损失会大于水射流部分的能量损失，引起后续射流的相互作用并发生偏转。由于水和磨料之间的非定常、非均匀和非线性的相互作用，自身形状发生旋转，会被后方射流再次加速，与缠绕物再次发生碰撞。磨料水射流在深水中切割的性能会降低，周围液体压力和靶距的增加使得切割深度的减小有非线性的趋势。一方面可能是水垫的特性和射流特性之间相互作用的结果，另一方面可能是切割环境介质密度增加和空化效果减弱造成的。当磨料水射流在周围液压较高的环境中重复切割时，切割效果主要来源于开始的几次，后面的作用逐渐减小，随着靶距的增加，会很快失去切割能力。切割实践表明，对于切割不同的缠绕物，在切割设备相同时，最佳的射流横移速度也不同。此外，增加磨料水射流切割能力最有效的措施之一是提高磨料水射流的系统压力(反映为喷嘴流速)。当射流超过有效靶距时，无论采用什么样的磨料，切割效果衰减较快。

图1、图2是切割和清洗的一些实例。其中，图1(a)、(b)是对单个缠绕物的切割，图1(c)是对混合缠绕物的切割，图1(d)是对一种常见缠绕物在不同工况下切割的切痕对比。图2(a)、(b)是对生锈铁板的清洗。从图1、图2中也可以看到，采用水射流技术无论是进行缠绕物的切割或是对目标物进行清洗的过程中，都有很多的水雾产生，因而在对环境要求较高的场合，其适用性受到了一定的限制。此外，磨料水射流对锚缆、航道标识以及维护等部件的缠绕物进行切割时，也会对这些部件产生影响，尤其是在缠绕物快被割断前，缠绕物的附着部件会承受大部分的作用力。如果要减少作用力，虽然可以通过调整压力的大小来达到，但如何智能性地消除这些不利影响，目前仍然在研究之中。事实上，使得研制的这个设备具有尽可能高的人工智能，在切割的靶的物是豆腐或铁块时，智能启用不同的操作程序，一直是努力的方向之一。

图1 切割实例Fig. 1 Cutting example

图2 除锈实例Fig. 2 Derusting example

3 磨料水射流的切割机理

研究射流作用下缠绕物破坏或清除的机理，通常从互相关联的两方面入手：分析射流作用于缠绕物上的作用力，以及缠绕物在这些作用力下的清除过程。显然，不同材料的破环、清除形式也不一样。例如在相同的切割设备情形下，塑性材料主要是发生塑性破坏而脆性材料主要是发生脆性破坏，最优靶距和切割效率也不同。关于缠绕物清除的机理，目前大致分为以下几种理论。

1)准静态弹性破碎理论。当磨料射流作用在缠绕物上的应力超过缠绕物的强度时，缠绕物将发生破坏。陶瓷和部分金属缠绕物的破坏可能属于此类。

2)应力波破碎理论。磨料水射流冲击的冲击力是动载荷，尤其是其中几何形状不规则的磨料，在缠绕物中产生应力波，而应力波的作用是造成缠绕物中的脆性和弹性破坏的主要原因。藤条和水草等缠绕物的破坏可能属于此类。

3)气蚀(空蚀)破碎理论。气蚀作用是造成缠绕物破坏的主要原因。试验表明淹没射流所产生的气蚀能极大地提高破坏缠绕物效率。但由于机理复杂和受目前试验手段的限制，现阶段空泡的实际破坏作用分析只能是定性的和半经验的，目前没理论模型。对于金属一类缠绕物的破坏气蚀起了重要的作用。

4)裂纹扩展破碎理论。如果缠绕物本来就存在初始裂纹，水射流造成缠绕物的破坏很可能是裂纹扩展破裂造成的结果。主要分2种情形，一种认为缠绕物在水射流冲击作用下产生裂纹，对于秸秆的破坏可能属于此类；另一种是拉伸～水楔作用，在高压水射流的冲击作用有效地顺着裂纹尖端传播后，由于水侵入裂隙空间产生的应力场将造成在裂隙尖端产生应力集中区，裂隙迅速发展最终造成缠绕物破碎。对于藤条和竹枝类的破环，可能属于此类。

5)渗流应力及损伤破碎理论。射流使缠绕物产生裂纹使得水通过裂纹进入缠绕物内部，水射流压力与水渗流相互作用最终造成缠绕物的破坏。对于腐朽的木头和破旧的编织物类，如毛衣、毛裤、棉絮等的破坏，可能属于此类。

观察缠绕物的破坏过程和破损断面表明，在不同的工况条件下和对不同缠绕物以及在破坏过程的不同阶段，上述5种作用的重要程度是不同的。但射流的冲击力及产生的应力波是始终存在并起主要作用，另外3种则起到程度不同的辅助作用。根据观测，磨料的冲击作用和高速水流的劈裂作用是两种重要的原因，尤其是前者对于缠绕物的破坏更为显著。磨料颗粒对缠绕物形成裂隙或接近破坏极限的损伤区域。水射流进入裂隙空间后产生水楔效应在裂隙尖端产生拉应力，这种过程的不断循环最终使裂隙迅速发展和扩大，造成缠绕物破碎。应该指出，式(9)给出的单个颗粒的切削率是从唯象的观点给出的，而这里关于切割机理的讨论是从微观的视角进行的，有很大的主观因素在里面。如何在大量精细的试验基础上，建立二者的关系，是一个值得探讨的方向。

4 结 语

基于笔者试制成功的原型样机，试验研究了航道缠绕物水射流清除的特性和机理。对于高压紊动水射流结构的讨论，指出了紊流射流自模性的特征，以涡结构为纽带，通过动量和能量的传递，可以把切割后的缠绕物带出切割区域。在分析大量室内和天然情形下的试验结果的基础上，给出了有关射流常用的几个经验公式。可以知道，提高射流压强是增强切割能力的关键。指出了射流压力和速度分布的特性，给出了影响切割效率的影响因素和相应的经验公式。分析了磨料射流时磨料和水流之间的相互作用和磨料的运动特性，研究了水射流清除的特点，指出了切割断面锯齿形产生的原因，给出了磨料水射流切割机理的初步分析结果。基于试验结果，分析指出磨料的冲蚀作用和高速水流的劈裂作用是两种重要的原因，尤其是前者对于缠绕物的破坏更为显著。这些结论对于航道缠绕物水射流清除装置的效率提升和改进有参考价值。