气动喷嘴射流冲击力测量装置的设计

蒋 丹,任 聪，赵天扬

(电子科技大学 机械与电气工程学院，四川 成都 611731)

液压与气动技术课程作为机械设计制造及其自动化专业和电气工程专业的专业选修课程，具有很强的理论性和实践性[1-2]。课内实验作为液压与气动技术课程的补充，对培养学生的动手能力、综合素质和创新能力大有裨益。通过配备液压和气动实验台或集中气源设备[3-4]，同时增设测量气动喷嘴射流冲击力的新实验，并开发相应的实验装置，以提高液压与气动技术课程的实验教学效果。

文献[5]对气动喷嘴进行了研究，提出了著名的Zeuner-Rankin理论，这一理论是对喷嘴内混合流体应用动量方程得到的，为后人对气动喷嘴的设计提供了理论基础。文献[6-7]以空气为实验工质，对简单的气动喷嘴系统进行了分析和特性对比。文献[8]在SX-1型专用气流测试仪上，对节能型气动喷嘴与常用的3种气动喷嘴的流量进行对比测试，测试供气压力与流量的关系。文献[9]研究了喷嘴内部流道型线对射流流场的影响。文献[10]以用于工件表面吹扫除杂的喷嘴为对象，提出了将气动喷嘴的连续气流改为间歇气流。

利用现有气动元件及设备，以压缩空气为工作介质，具有来源广泛、成本低廉、清洁无污染等特点，将极大方便实验的进行；以气动喷嘴为研究对象，根据动量方程给出气动喷嘴射流冲击力理论值的计算公式，同时设计测量气动喷嘴射流冲击力实验装置，并通过试验加以验证。这样，可以加深学生对动量方程基本原理的理解，同时了解气动喷嘴的工作原理和应用，并熟练掌握气动回路和测量回路的设计与搭建。

1 实验装置与实验过程

气动喷嘴作为常用的气动元件之一，能喷射出一束高速气流，主要用于吹除工件、除尘、吹屑等[11]。利用现有的气动实验设备，以气动喷嘴为研究对象，完成测量气动喷嘴射流冲击力实验装置的设计与气动喷嘴射流冲击力的分析。

1.1 实验设备

设计的测量气动喷嘴射流冲击力实验装置的示意图如图1所示。由于采用压缩气体为工作介质，使得整个试验台整洁明了，方便实验的进行[12]。

空压机用来产生压缩空气，储气罐用于储存压缩空气，内径为6 mm的导气软管用于传输压缩空气。采用SMC公司的ISE30A-C4H-N-ML型压力传感器和PFM711S-C8-A-M型流量计分别测量导气软管中压缩空气的压力和流量，直流电源为压力传感器和流量计供电。气动喷嘴用于控制射流方向并喷射出一束高速气流，实验夹具用于固定导气软管和喷嘴，使得在实验过程中保持喷嘴位置不变。本实验采用数字计重秤来测量射流冲击力的大小。

1-空压机；2-储气罐；3-导气软管；4-直流电源；5-流量计；6-压力传感器；7-三通接头；8-喷嘴；9-夹具；10-计重秤。

图1 测量气动喷嘴射流冲击力实验装置示意图

1.2 实验原理

在本实验中，由喷嘴喷射出一束高速气流，射流初始方向与数字计重秤平板保持垂直，气体在吹击数字计重秤平板后沿平板方向流动，如图2所示。

图2 喷嘴射流冲击力示意图

根据工程流体力学原理，设竖直方向为y方向，恒定总流动量方程为[13]：

∑Fy=ρ3qv3β3v3y-ρ2qv2β2v2y

(1)

式中：Fy为作用在压缩气体上的外力在y方向的分量；ρ2和ρ3分别为喷嘴处2-2断面和平板处压缩气体的密度，在本实验中ρ2和ρ3为一个标准大气压下空气的密度；β2和β3分别为入射流和出射流动量修正系数；qv2和qv3分别为喷嘴处和平板处压缩气体的体积流量；v2y和v3y分别为入射流和出射流平均速度矢量在y方向分量。

压缩气体与原来射流方向成90°离开平板(v3y=0)，在y方向列动量方程：

(2)

Fs=ρ2qv2β2v2y

(3)

流量传感器上安装有一个节流阀，可以控制压缩气体流速的快慢，气动喷嘴用实验夹具来控制射流方向。喷嘴的入口圆孔与导气软管相连，喷嘴出口直径为3 mm。

在实验时，喷嘴轴线与计重秤台面垂直，压缩空气以紊流方式从喷嘴口射出。射流在离开喷嘴后，一方面由于压力降低，气体向四周膨胀；另一方面射流空气沿喷嘴轴线y方向流动时，射流空气与周围空气不断地相互混杂，并进行质量和能量交换，带动周围的静止空气一起运动，使得射流带动的质量逐渐增多[13]。

不计重力，由气体等熵能量方程，对1-1和2-2断面：

(4)

式中：p1和p2分别为1-1和2-2断面处的气体压力，其中，p1为压力表上显示读数，p2为大气压；ρ1为1-1断面处的压缩气体密度；γ为等熵指数，对空气，γ取1.4。

对于气体等熵流动[13]有：

(5)

故

(6)

由质量流量的连续性，有：

(7)

式中，d1为导气软管内径，d2为喷嘴内径。由此得到：

(8)

将式(6)和式(8)代入式(4)中，得到：

(9)

根据体积流量等于流速与相应截面积之乘积，得：

(10)

同时，导气软管中压缩气体的体积流量qv1可表示为：

(11)

将式(9)和式(10)带入式(3)，由此可以根据压缩气体在经过喷嘴前的流量和压力计算出气动喷嘴射流冲击力的大小。同时，根据式(11)，可以计算得到1-1断面的体积流量，其计算值将与流量计测量值进行对比。

1.3 实验过程

设计的测量气动喷嘴射流冲击力实验装置的目的包括根据流体动量方程公式计算出射流冲击力大小的理论数值，并与数字计重秤所得数据进行对比；验证压缩气体为工作介质条件下的动量方程，加深对动量方程基本原理的理解；根据气体体积流量计算公式得到体积流量的计算值，同时与流量计测量值进行比较。其实验有如下5个步骤。

1)按照实验要求连接管线，将导气软管与喷嘴相连，并通过实验夹具固定，使得喷嘴口射流方向与数字计重秤的秤面相垂直，喷嘴口与秤面保持恒定距离。

2)打开直流电源，使得压力传感器和气体流量计上电，检查读数是否正常。

3)一切正常后调定流量计处的节流阀，打开空气压缩机开关和数字计重秤开关，随着压缩空气的进入，压力计示数和流量计示数不断增长；等两者读数稳定，记录流量计示数、压力传感器示数和数字计重秤示数。

4)通过调节流量传感器上的节流阀改变流量大小，记录流量计示数、压力传感器示数和数字计重秤示数的8组实验数据。

5)处理和分析实验数据，根据压力传感器数据求出体积流量的理论值，同时与流量计示数进行对比；根据流量计和压力传感器数据求出气动喷嘴射流冲击力的理论值，与数字计重秤所得数值进行对比分析。

2 实验结果

在实验中，调节流量计上的节流阀开口大小，使管路流量逐渐增大，并依次读取压缩气体流量、压缩气体压力和数字计重秤的8组数据，实验平台照片如图3所示。

图3 实验平台

记录的8组实验数据如表1所示。压缩空气在导气软管内的流动状态为紊流，选取动量修正系数β2为1[13]。根据实验时温度情况，选取一个大气压下，20℃时的空气密度为1.21 kg/m3，标准大气压为1.01×105Pa。

表1 实验数据

表1(续表)

将流量计数据和压力传感器数据换算成国际标准单位后带入式(9)、式(10)和式(3)，即可求出射流对数字计重秤冲击力的理论值。根据式(11)，导气软管中体积流量的计算值与流量计测量值进行对比，如图4所示。

图4 导气软管中体积流量的计算值与测量值对比图

图5 射流冲击力理论值与实验值对比图

根据数字计重秤数据求出射流冲击力实验值，射流冲击力的理论值与实验值的对比如图5所示，可以看出射流冲击力的理论值与实验值吻合较好，验证其实验效果良好。

3 结束语

本实验设计了测量气动喷嘴射流冲击力的实验装置，具有气动回路简单和实验成本低的特点；压力传感器、流量计以及数字计重秤的使用，使得实验参数的获取更加简单便捷和形象直观。在节省实验操作时间的同时也使测量精度大大提高，锻炼了学生通过利用流量计和压力传感器得到流体流动参数的测量方法；考虑气体流动过程为等熵流动，重新推导了气动喷嘴射流冲击力理论值的计算公式。实验结果表明，理论值与实测值吻合较好，实验效果令人满意。