串联型异形结构喷嘴冲击特性的实验研究

燕青

串联型异形结构喷嘴冲击特性的实验研究

燕青

（聊城大学 机械与汽车工程学院，山东 聊城 252000）

针对普通喷嘴喷射效能不高的问题，比较不同结构参数下喷嘴产生自振脉冲射流效应的能力。基于喷嘴不同的结构参数和产生脉冲射流效应之间的关系，构建自振脉冲装置的物理模型，并对喷射能效进行实验分析。实验条件为：以靶盘为冲击对象，定量分析当量结构一致的球面、锥面和平面形冲击壁结构喷嘴的冲击压力，即腔长和靶距为自变量，射流冲击压力为因变量。实验结果显示：谐振腔长度对喷射效能的影响较大，锥面体冲击壁喷嘴随冲击能力最优，冲击效果好，平面体比球面体稍小；超过最佳腔长后，平面体喷嘴冲击压力增长速率明显降低。锥面体冲击壁喷嘴在其他自变量相同的条件下，其振腔内锥度为120°时的自激振荡脉冲效果最佳。实验结果充分验证了理论分析，这对喷嘴结构参数的设计和改进具有重要指导意义。

脉冲射流；喷嘴；腔长；靶距；冲击压力

脉冲射流是指流体以非连续的方式由喷嘴高速射出。这种射流由于速度较快，并且携带大量能量，可以不断地对目标进行锤击，直至将靶件破碎或切开。自振脉冲射流与连续射流相比具有很大的不同，脉冲射流喷嘴结构简单，无运动构件，安装运输方便，多用于坚硬靶件的破碎或侵蚀，主要应用在油气开采和矿石开发等领域。国内外的研究人员对自振脉冲技术进行了大量研究。

国外研究者A F Conn和V E Johnson最先提到脉冲射流[1]，随即利用喷嘴自身结构参数产生自激振荡形成脉冲射流进行实验研究。Brookhe Summers等[2-4]通过在普通脉冲水射流喷嘴中增加特定装置实现机械阻隔连续射流进行实验研究，以及利用外界装置改变连续射流，但能量消耗大，容易磨损，应用具有局限性。B. Nebeker等[5]研究设计了一款利用外界激励产生脉冲射流发生震动的装置，其内部结构复杂，容易产生流体空化破坏，体积较大，使用、运输很不方便，因此无法推广使用。Chahine提出一种新型脉冲射流发生器[6]，该装置利用亥母霍兹自振室产生自激振荡，认为流体自身具有一定的脉动特性，当流体流经亥母霍兹自振室，与振荡腔固有频率接近时产生共振，进而形成脉冲射流。Conn等[1]受到水声学理论启发，利用声音和振荡腔自振产生空化射流，相比之前脉冲射流效果，此装置的射流冲蚀能力大大提高，与普通水射流喷嘴相比，产生空化的距离大幅度提高，且空化作用强烈，因此脉冲射流的冲蚀效果显著提高。

国内的廖振方等[7]利用边界层涡流理论，通过喷嘴特定结构参数使流体发生自激振荡，进而喷嘴出口处产生脉冲射流。李晓红等[8]将自激振荡脉冲射流喷嘴引入到煤矿产业中，有效降低了瓦斯带来的危害，并对自激振荡脉冲射流频率特性进行了深入研究，得出喷修结构参数是影响喷射效能的主要因素。李根生等[9]将自激振荡脉冲射流应用在了石油开采领域，大大提高了石油开采的效率。唐川林等[10]结合水声学研究建立了自激振荡脉冲射流频率模型，实验发现影响射流冲击能力的主要因素有泵压和射流辐值，这两种参数的改变会对射流频率特性产生大幅度的影响，随后又提出了在射流中加入空气，形成气液混合流体，实验证实气液混合流体在提高冲击能力方面起到非常大的作用。

串联型脉冲射流喷嘴冲击壁结构直接影响喷嘴出口射流的冲击压力和喷速，进而决定了射流的冲蚀和破碎效率。目前针对射流喷嘴的研究多集中于运行参数和下喷嘴形状，鲜有针对喷嘴冲击壁结构与冲击压力之间关系的研究。本文建立了不同形状冲击壁结构下，冲击时长、靶距以及腔长对冲击压力的大小和幅值的影响规律。

1 喷嘴的物理模型

串联型自激振荡脉冲射流喷嘴的结构如图1所示，由上喷嘴、中喷嘴和下喷嘴组成。可以看出，上喷嘴和中喷嘴之间可形成一个圆柱形的谐振腔，该谐振腔位于上喷嘴的末端，其长度可沿着轴线方向发生变化，即腔长可调。中喷嘴和下喷嘴之间形成的冲击壁腔室形状可以利用不同的下喷嘴进行改变。实验过程中，来流首先从上喷嘴进入，经过一个锥形腔结构射入谐振腔，此时谐振腔中的流体在特定层会产生大量的涡旋和空化气泡，这些涡旋和气泡随着射流自身的脉动不断增强壮大，当携带大量漩涡的脉动流体流经中喷嘴进入下喷嘴时与下喷嘴的内壁发生碰撞，此时冲击产生的反馈射流不断和来流发生相互作用，使得射流的脉动性不断强化。当冲击壁形状不同时，这种碰撞产生的结果也不同。

冲击壁的形状主要有三种，如图2所示。

图1 串联型脉冲射流喷嘴结构

图2 喷嘴冲击壁结构

实验过程中，高压射流会持续撞击冲击壁的表面，因此冲击壁的表面硬度要足够大。随着冲击壁在实验过程中的不断磨损，射流的振荡效果急剧下降，冲蚀性能降低。为解决下喷嘴冲击壁的磨损问题，实验中下喷嘴材料选择常用的45号钢材，并且利用淬火等工艺进行热处理，以增加下喷嘴的内表面硬度和耐磨性。

2 实验装置

2.1 实验系统

实验测试系统如图3所示，首先水泵将位于水箱中的流体经过过滤器输送至增压泵中，增压泵下端连接压力表和溢流阀，目的是防止增压泵中压力过高发生危险。经增压泵增压后的高压流体进入喷嘴，在喷嘴内流体发生一系列变化，经过喷嘴放大效应后变为脉冲射流，经过下喷嘴高速射出进而冲击靶盘中的压力传感器。将喷嘴安装在可以前后移动的试验台上，以便调节喷嘴末端至目标的距离，达到喷嘴靶距可调节的目的。高速脉冲射流经过目标靶盘上的细小孔洞（0.3 mm）直接打击压力传感器，压力传感器将动态压力信号转换为电信号传输至SD150测试系统，进而得到射流动态特性信号，再经过分析处理得到冲击压力波形曲线。

图3 实验装置及测试系统图

2.2 压力传感器标定

压力传感器工作原理图如图4所示。

图4 压力传感器工作原理图

实验过程中，压力传感器将信号传输至SD150动态测试系统，经过计算机分析后可读出喷嘴射流中心压力在不同脉冲信号下的变化规律。其中利用压力传感器的压电效果进行实验，当动能大且脉动效应强的射流由下喷嘴射出后，调节射流的轴心使得射流中心正好穿过测试靶盘上的圆形小孔，并不断打击圆形小孔后方连接的压力传感器，这个过程中要保证射流的轴线垂直于靶盘平面。受到冲击的传感器产生大量自由电荷，经过变换电路放大和变换转化为可测量的电压，测量电压的大小和传感器受到的冲击力成正比，再利用计算机对得到的电压进行运算，即可获得串联型脉冲射流喷嘴的出口速度和冲击压力。

为保证实验中喷嘴射流轴心压力的准确性，对传感器进行标定。在压力信号和电信号之间建立一个稳定的联系，通过电信号直接反应压力信号的大小。在标定过程中选用标准活塞式压力计，使得活塞式压力计的值按照设定值变化，记录下传感器压力和测试系统对应的测试结果，此时测试表时域图上出现不同偏移量的直线，利用一元线性回归处理后，得到标定结果，如图5所示。根据图表得到压力传感器的电信号和压力信号之间的线性关系，其表达式为：

＝14.96352－12.86842 （1）

图5 压力传感器标定曲线

2.3 实验方法

实验过程中，喷嘴选择非淹没条件下运行，串联型脉冲水射流喷嘴按照一定的压力和运行参数工作。泵的额定压力为45 MPa，对应流量6 m3/h；上喷嘴锥度为13°；上喷嘴、中喷嘴和下喷嘴的直径分别取2 mm、2.4 mm和3 mm；谐振腔径40 mm。通过改变腔长，研究不同工况下自激振荡的效果；喷嘴入口压力可通过压力表调节；采用SD150测试系统驱动数据采集卡收集数据，然后进行图形绘制并分析。

3 实验结果分析

3.1 腔长对射流冲击压力的影响

在泵压为10 MPa、靶距为10 mm、冲蚀时间为20 s的条件下，不同冲击壁结构脉冲喷嘴射流冲击压力随腔长的变化规律如图6所示。可以看出，在泵压和靶距一定的条件下，喷嘴冲击压力随腔长的变化出现上下波动的趋势，且存在一个冲击压力脉动峰值max与腔长相对应，超出这个特定的腔长范围，其值变小。这说明不同冲击壁结构的串联型脉冲射流喷嘴均存在最佳腔长，使得脉冲射流喷嘴的冲击压力达到最大。出现上述规律的原因是当腔长过小时，流经上喷嘴的射流在快速通过谐振腔时不能发生有效谐振，产生的脉冲效应较弱，进而对射流冲击压力造成影响。当腔长过大时，冲击射流腔内的沿程压力损失较大，射流流动过程中干扰频率成分增加，进而降低射流有效脉冲波动。

（a）脉动峰值

（b）压力振幅

图6 喷嘴冲击压力随腔长的变化规律

振荡频率较高时，下喷嘴的脉冲效果更明显，当腔长进一步加大，喷嘴的结构频率降低，谐振由高频转向低频，使得喷嘴脉冲能量降低，因此喷嘴谐振腔的腔长是影响射流冲击压力大小的主要因素之一。在相同条件下，三种不同冲击壁结构串联型脉冲喷嘴的最佳冲击压力脉动峰值和振幅各不相同，其中锥面体冲击壁结构的射流喷嘴最佳冲击压力峰值和振幅均高于平面体和球面喷嘴。可知，相同工况下，当喷嘴冲击壁锥度取值120°时为最优，具有最佳的自激振荡脉冲效果。

3.2 靶距对射流冲击压力的影响

在泵压为10 MPa、腔长为6 mm、冲蚀时间为20 s的条件下，不同冲击壁结构脉冲喷嘴射流冲击压力随靶距的变化趋势如图7所示。

（a）脉动峰值

（b）压力振幅

图7 喷嘴冲击压力随靶距的变化规律

由图7可以看出，不同冲击壁结构喷嘴的射流冲击压力随着喷射距离的增大逐渐降低，其中，平面体冲击壁结构喷嘴下降幅度最大。实验过程中靶距为6 mm时，不同冲击壁结构喷嘴的射流压力均最大，因此喷嘴的喷射距离也是喷嘴结构的重要参数之一，选择恰当的喷射距离可实现较好的冲击效果[12]。当喷射距离较短时，喷嘴射流以紊流的形式冲击传感器，此时冲蚀效果较好；随着射流距离逐渐增大，空气阻力的干扰逐渐加强，造成射流能量交换损失，导致射流打击传感器的力度减弱，冲蚀效果逐渐下降。此外，各靶距下，锥面体冲击壁结构喷嘴的冲击压力均大于球面体和平面体冲击壁结构喷嘴，随着靶距增大，锥面体冲击壁的优势开始凸显，锥面结构降低了空气对湍流的能量损耗，使得流体由紊流向湍流的转换增强，流体喷射速度下降减缓，射流对靶件的冲蚀能力增强。平面体冲击壁造成喷嘴射流速度随着喷射距离的增大迅速衰减，超过一定范围时冲蚀能力消失。

3.3 不同冲击壁结构对最佳腔长的影响

在泵压分别为7.5 MPa、10 MPa、12 MPa，靶距为4 mm，冲蚀时间为20 s的条件下，同等当量面积的三种冲击壁结构喷嘴射流冲击压力随腔长的变化规律如图8所示。

（a）平面体

（b）球面体

（c）锥面体

图8 不同泵压下喷嘴冲击压力随腔长的变化规律

可以看出，不同结构冲击壁喷嘴均存在最佳的腔长，且最佳值各有不同。当腔长较小时射流冲击压力较低，随着腔长的增大，脉冲射流的喷射效果达到最佳状态。其中，平面体、锥面体和球面体冲击壁喷嘴最佳腔长范围分别为5～6 mm、5～7 mm和7～9 mm；喷嘴出口压力最大值所对应的腔长分别为5 mm、6 mm和8 mm。这是由于当腔长较小时，上游来流波动较小，直接穿过下喷嘴流出，不能与冲击壁发生有效碰撞形成反向射流波动，进而无法形成共振叠加振荡脉冲射流。实验还观察到，影响射流振荡的因素很多，不同结构参数下冲击压力的峰值各不相同，流体剪切层很不稳定，当上游来流携带各种频率的振荡波向下传播时，在冲击壁处出现不同的振荡状态。这是因为来流撞击到冲击壁时会形成许多涡流，与射流固有的振荡相互叠加构成高频率振荡效果。当谐振腔内流体的振荡频率相似于声学效应频率时，脉冲振荡效果会大大提高。三种不同冲击壁结构喷嘴的腔长与上喷嘴直径1的最优结构参数为：/1＝2.5（球面体）、3（锥面体）、3.8（平面体）。三种不同冲击壁形状喷嘴的冲击压力呈现周期性变化规律，这可能是由于流体在喷嘴内流动的过程中，各种涡流和流体自身脉动也出现周期性变化，新旧波动通过谐振产生一定的相位关系，进而产生脉动压力的周期性变化。在这种周期性变化过程中，特定的喷嘴结构参数对流体进行开放、部分开放或阻断效应，进而射流产生周期性脉动压力变化。

4 结论

（1）喷嘴冲击壁形状为锥面体时，相同条件下其冲击压力明显高于平面体和球面体，且相同靶距下锥面体冲击壁脉冲射流喷嘴具有独特优势，对靶件冲击能力强。

（2）不同冲击壁结构喷嘴最优运行参数为：/1＝3.8（平面体）、3（锥面体）、2.5（球面体）。

（3）谐振腔的腔长是影响喷嘴射流冲击压力和冲蚀效果的显著因素之一，不同冲击壁结构下均存在最佳腔长范围；射流冲击压力的脉动峰值和振幅的最大值所对应的谐振腔腔长范围分别为：4.9～5.4 mm（平面体）、5.8～6.3 mm（锥面体）和7.7～8.2 mm（球面体）。

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Experimental Research on ErosionPerformances of Heterotypic Pulsed Jet Nozzle

YAN Qing

( School of Mechanical and Automotive Engineering, Liaocheng University, Liaocheng 252000, China )

In view of the low injection efficiency of ordinary nozzles, the ability of nozzles to generate self-oscillating pulsed jet effects under different structural parameters was compared. Based on the relationship between different structural parameters of nozzles and the generation of pulsed jet effects, a physical model of a self-oscillating pulsed device was constructed. Experimental analysis was conducted on the jet energy efficiency. Taking the target disk as the impact object, the impact pressure of spherical, conical, and planar impact wall nozzles with the same equivalent structure was quantitatively analyzed. Cavity length and target distance were independent variables and peak and amplitude of jet impact pressure were dependent variables. The results show that the length of the resonant cavity has a significant impact on the injection efficiency. The conical organ tube has the best impact capacity against the wall nozzle, and the impact effect is good. The planar body is slightly smaller than the spherical body. After exceeding the optimal cavity length, the growth rate of impact pressure of the planar nozzle decreases significantly. Under the same conditions of other independent variables, the conical impact wall nozzle has a better self-excited oscillation pulse effect, and the 120° conical impact wall shape in its oscillation chamber is the optimal structure. The experimental results fully validate the theoretical analysis, which has important guiding significance for the design and improvement of nozzle structural parameters.

pulsed jet；nozzle；chamber length；target distance；impact pressure

TV1431

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.12.009

1006-0316 (2023) 12-0054-06

2023-04-07

燕青（1988－），男，山东聊城人，硕士研究生，助理实验师，主要研究方向为高效射流理论及应用，E-mail：yqwyyx2018@163.com。