自激振荡脉冲射流喷嘴的试验研究.docxVIP

Ξ自激振荡脉冲射流喷嘴的试验研究廖振方,唐川林,张凤华(重庆大学机械工程学院,重庆400044)摘要:由作者发明和研制成功的自激振荡脉冲喷嘴所形成的脉冲射流,在相同条件下与常规的连续射流相比,射流的峰值压力,冲蚀体积和有效靶距均得到明显的提高,作者将多年来所进行的实验室实验(振荡腔内流体压力的测定;非淹没射流条件下的实验分析;淹没条件下自激振荡脉冲射流的性能实验及其分析;在淹没和非淹没条件下自激振荡脉冲射流的冲蚀效果;碰撞壁碰撞区域的磨损对自激振荡脉冲射流的影响等)及工业现场实验的主要结果进行了简要介绍。关键词:自激振荡脉冲射流;喷嘴;钻头中图分类号:TD263.214文献标识码:A在作者的另一篇文章中1已对自激振荡脉冲喷嘴的理论作了系统的介绍,本文将我们多年来的实验室试验和工业试验的一些试验结果简介如下:互作用。旋涡配对,频率减小。1实验室实验111振荡腔内流体压力的测定1,2,5-7测点分布如图1所示,测量结果如图2所示。从图可知,1,2和3点位于静止区,压力值小、波动不大。而5和6点位于涡旋与碰撞壁相互作用的区域,压力波动大。点4位于分离区附近,是扰动波反馈造成涡旋分离的区域,故其压力开始波动。腔内剪切层中不同位置压力的测量进一步说明了旋涡聚合相互作用。当射流与碰撞壁相互作用后,产生向上游传播的扰动波。这些扰动波使得上喷嘴出口附近处产生具有一定周期的涡结构。向上游传播的波与向下游传播的波相位相同。当旋涡配对形成时,初始不稳定波的频率应该高于在下游位置波的频率。高频不稳定波的相位与低频波的相位不可能一致,故下游低频波使上喷嘴出口处的剪切层变形,使一系高频不稳定波结合在一起。由剪切层不稳定性诱发的低频压力扰动波上叠加有高频扰动波,随着压力波向下游的传播,在很短的距离涡旋结构强烈地聚合在一起,使得高频压力波迅速消失。从图中还可见在低频波正峰值上的高频波的幅值大于在低频拨负峰值上的幅值,这也说明了旋涡聚合的相图1腔内压力测量布点示意图图2腔内各测点压力振荡波形112非淹没射流条件下的实验及分析3-5在自由射流条件下,测试了自激振荡脉冲射流喷嘴装置几何参数变化和水力参数变化对自激振荡脉冲射流的影响。实验结果如图3、4和5所示。分析实验结果得出以下几点看法:1)影响自激振荡的主要结构参数为无量纲腔长LΠd、上下游喷嘴直径比DΠd、碰撞壁形状、腔室形状等。腔长过短不能形成剪切层或剪切层不稳定性对该Ξ收稿日期:2001211210基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号作者简介:廖振方(1938-),男,四川绵竹人,重庆大学教授,博士生导师,主要从事水射流和物料的特种加工研究。29第25卷第2期廖振方等:自激振荡脉冲射流喷嘴的试验研究范围的扰动不敏感;腔长过大反馈的扰动不能有效激励分离区新涡量脉动的产生。换句话说,腔长与剪切层不稳定性的发展和扰动反馈密切相关,是形成自激振荡的关键参数之一。在分离区产生的涡量脉动或离散涡旋随射流向下运动,并在下喷嘴进口位置处与碰撞壁相互作用,引起压力扰动波向上游反射,并对射流中心形成阻尼作用。故碰撞壁形状直接影响扰动反馈和压力振荡对射流中心的作用。腔室形状(腔室内边界与剪切层外边界形成的“死区“),对扰动的反馈也有直接影响。图4无量纲压力均方根值随射流速度的变化2)组成自激振荡的频率成分很多,各频率成分所对应的脉动幅值不同。这从频谱分析图中可清楚看出。从图中可见,扰动的频率接近谐振腔的固有频率时,其振荡幅值最大,能量很集中。至于其它谐频分量,其幅值依次减小。这说明在分离区发展起来的扰动向上游传播时,在不同位置,不同频率的扰动得以不同程度的放大,这就反映了剪切层不稳定性对扰动的有选择放大作用。当扰动频率接近谐振固有频率时,则此压力扰动就被急剧放大,产生强烈脉动,说明谐振腔具有激振作用。图3无量纲压力均方根值随腔长的变化(a)Ld=0,P0=8MPa(b)LΠd=2.4,P0=8MPa图5射流轴心压力频谱图(c)L/d=2.4,P0=15MPa3)在产生强烈自激振荡射流时,射流轴心压力脉动强烈,有时压力为负值,这就为水中气泡或蒸汽泡的形成创造了良好条件,故自激振荡脉冲射流伴随有空化作用。4)随着泵压的增大,自激振荡脉冲射流波动的幅值减小,振荡频率有增大趋势。113在淹没条件下,自激振荡脉冲射流的性能实验及其分析5～7测量了自激振荡脉冲射流轴心动态压力(打击力)、压力脉动率、压力均方根值随腔长,靶距的变化关系,实验结果如图6、7、8和9所示。(a)=P0=15MPaLT/d=4(b)P0=15MPaLT/d=10(c)P0=15MPaLT/d=14图6淹没条件下不同靶距处射流轴心动压波形?1994-2014ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHou