結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)自激脈沖射流裝置性能的影響試驗(yàn)

趙 禮，高傳昌，劉新陽，劉彩萍

(1.華北水利水電學(xué)院水利學(xué)院，河南鄭州 450011;2.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江 杭州 310012)

結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)自激脈沖射流裝置性能的影響試驗(yàn)

趙 禮1，2，高傳昌1，劉新陽1，劉彩萍1

(1.華北水利水電學(xué)院水利學(xué)院，河南鄭州 450011;2.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江 杭州 310012)

為了研究結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)自激脈沖射流裝置性能的影響，運(yùn)用自行研制的試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)自激脈沖射流裝置進(jìn)行大量的試驗(yàn)，在上噴嘴直徑為8 mm和腔徑為95 mm的試驗(yàn)條件下，分析下噴嘴直徑、腔長和工作壓力的變化對(duì)脈沖射流打擊力和脈沖效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:不同的下噴嘴直徑、腔長和工作壓力對(duì)脈沖射流打擊力的影響是不同的;每種下噴嘴直徑都存在著獲得最佳脈沖效果的合適腔長和工作壓力范圍;隨著下噴嘴直徑的增大，最佳腔長和工作壓力范圍也有所增大。

自激脈沖射流;裝置性能;最優(yōu)參數(shù);打擊力

自激脈沖射流［1］是流體在適合的結(jié)構(gòu)裝置中通過自激振蕩產(chǎn)生的一種脈沖射流，其裝置結(jié)構(gòu)簡單，密封性好，可靠性高，成本低廉，同時(shí)還具有體積小、無需附加的外驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于采礦、石油、化工和水利等領(lǐng)域，是一種很有發(fā)展前景的射流裝置。

自激脈沖射流裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)脈沖性能的影響很大，國內(nèi)外學(xué)者分別從數(shù)值模擬［2-3］、性能參數(shù)［4-5］和射流頻率特性［6-8］等方面進(jìn)行了大量的研究，得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)的配比關(guān)系，但并沒有明確實(shí)際的打擊力和脈沖效果以及運(yùn)行參數(shù)對(duì)自激脈沖射流裝置性能的影響，且配比范圍過大。本文通過自行研制的自激脈沖射流裝置及試驗(yàn)測試系統(tǒng)，在上噴嘴直徑和腔徑一定的情況下，對(duì)不同的下噴嘴直徑、腔長和工作壓力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲取了相應(yīng)的打擊力和脈沖效果，研究了產(chǎn)生最佳脈沖效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作壓力范圍，為自激脈沖射流在工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

自激脈沖射流裝置如圖1所示，由進(jìn)水管、上噴嘴、腔室、碰撞體和下噴嘴組成。自激脈沖射流試驗(yàn)及測試系統(tǒng)如圖2所示，其工作流程如下:水泵供給壓力水，電磁流量計(jì)測量水流量，閘閥和壓力表控制工作壓力，在水流經(jīng)過噴嘴時(shí)形成脈沖射流，直接噴射到靶盤上產(chǎn)生壓力信號(hào)，然后通過壓力變送器將壓力信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)并分析。

圖1 自激脈沖射流裝置

圖2 自激脈沖射流試驗(yàn)及測試系統(tǒng)

試驗(yàn)采用的自激脈沖射流裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:上噴嘴直徑8 mm，腔徑根據(jù)文獻(xiàn)［4］給出的配比范圍，取 95 mm;下噴嘴直徑為 14 mm，16 mm，17 mm，18 mm 和20 mm;腔長為 30 mm，45 mm，60 mm，75 mm和90 mm;靶距為50 mm;工作壓力為0.8 MPa，1.0 MPa，1.2 MPa，1.4 MPa，1.6 MPa，1.8 MPa和2.0 MPa。針對(duì)上述不同結(jié)構(gòu)和工作壓力進(jìn)行試驗(yàn)，得到了相應(yīng)的打擊力和脈沖效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3為不同的下噴嘴直徑、工作壓力和腔長對(duì)打擊力的影響，可以看出:

a.下噴嘴直徑為14mm時(shí)，隨著腔長的增大，打擊力先增大后減小，且腔長為45 mm時(shí)打擊力最大，同時(shí)結(jié)合脈沖效果可知在腔長為30 mm和45mm時(shí)有脈沖射流產(chǎn)生，但脈沖效果并不十分明顯，限于篇幅，圖4只給出了工作壓力為1.2 MPa、腔長為30 mm和45mm、時(shí)間為10～20s的脈沖效果。

b.下噴嘴直徑為16 mm時(shí)，隨著腔長的增大，打擊力先增大后減小。當(dāng)工作壓力在0.8～1.6MPa之間變化，腔長為45 mm時(shí)打擊力最大;工作壓力在1.8～2.0 MPa之間變化，腔長為60 mm時(shí)打擊力最大。結(jié)合脈沖效果可知腔長為45mm和腔長60mm時(shí)均有脈沖現(xiàn)象，圖5只給出了工作壓力為1.2 MPa、腔長為45 mm和60 mm、時(shí)間為10～30 s的脈沖效果。

圖3 不同的下噴嘴直徑、工作壓力和腔長對(duì)打擊力的影響

c.下噴嘴直徑為17 mm時(shí)，隨著腔長的增大，打擊力先增大后減小;隨著腔長的繼續(xù)增大，工作壓力為0.8 MPa和1.0 MPa時(shí)，打擊力減小得比較快。當(dāng)工作壓力為0.8MPa，1.0MPa和2.0MPa，腔長為60 mm時(shí)打擊力最大;工作壓力在1.2～1.8 MPa之間變化，腔長為75 mm時(shí)打擊力最大。結(jié)合脈沖效果可知腔長為60 mm的脈沖效果好于75 mm的，圖6給出了工作壓力為1.4 MPa、腔長為60 mm和腔長75 mm的脈沖效果。

d.下噴嘴直徑為18 mm時(shí)，隨著腔長的增大，打擊力先小幅度增大后減小，然后再增大后急劇減小，且腔長為45 mm和75 mm的打擊力最大。結(jié)合脈沖效果可知腔長為60 mm的脈沖效果好于75 mm的，圖7給出了工作壓力為1.8 MPa、腔長為60 mm和腔長75 mm的脈沖效果。

圖4 下噴嘴直徑為14 mm的脈沖效果

圖5 下噴嘴直徑為16 mm的脈沖效果

圖6 下噴嘴直徑為17 mm的脈沖效果

圖7 下噴嘴直徑為18 mm的脈沖效果

e.下噴嘴直徑為20 mm時(shí)，隨著腔長的增大，工作壓力在0.8～1.0 MPa范圍內(nèi)變化時(shí)，打擊力先小幅增大后急劇減小，腔長為75mm時(shí)打擊力較大;工作壓力在1.2～1.8 MPa范圍內(nèi)變化時(shí)，打擊力變化較為平緩，僅有小幅減小;工作壓力為2.0 MPa時(shí)，打擊力先增大后減小，然后再增大后減小，且腔長為45mm和75mm時(shí)打擊力最大。結(jié)合脈沖效果可知腔長為75mm的脈沖效果好于90mm的脈沖效果，圖8給出了工作壓力為1.2 MPa、腔長為75 mm和腔長90 mm的脈沖效果。

圖8 下噴嘴直徑為20 mm的脈沖效果

3 結(jié)語

本文通過自行研制的試驗(yàn)裝置對(duì)自激脈沖射流裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了上噴嘴直徑為8 mm和腔徑為95 mm時(shí)的自激脈沖射流裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)打擊力和脈沖效果的影響，故精確地給出了產(chǎn)生最佳脈沖效果的工作壓力和結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍，為自激脈沖射流結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。分析可知:當(dāng)下噴嘴直徑在14～20 mm、腔長為30～90 mm時(shí)均能產(chǎn)生脈沖;隨著下噴嘴直徑增加，與之配比腔長需相應(yīng)增加，才能產(chǎn)生較好的脈沖效果。本次試驗(yàn)只采用了一種腔徑，對(duì)于其他腔徑的脈沖規(guī)律還需進(jìn)一步通過試驗(yàn)進(jìn)行探討。

［1］高傳昌，陳豪，雷霆.自激振蕩脈沖射流的研究與進(jìn)展［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，30(3):41-44.

［2］王循明，焦磊，王樂勤.自激脈沖發(fā)生機(jī)理數(shù)值模擬及參數(shù)影響分析［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2005，39(9):1450-1454.

［3］李江云.自激脈沖噴嘴發(fā)生機(jī)理數(shù)值模擬［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2005，25(2):241-243.

［4］王樂勤，王循明，徐如良，等.自激振蕩脈沖噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)配比試驗(yàn)研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，25(6):956-958.

［5］高傳昌，雷霆，王好鋒，等.低壓大流量自激式脈沖射流噴嘴裝置性能參數(shù)試驗(yàn)研究［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31(2):47-51.

［6］李曉紅，楊林，王建生，等.自激振蕩脈沖射流裝置的固有頻率特性［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2000，25(6):641-644.

［7］高傳昌，雷霆.自激振蕩脈沖射流噴嘴裝置系統(tǒng)頻率特性理論研究［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27(1):33-38.

［8］裴江紅，廖振方，唐川林.自激振蕩脈沖射流頻率特性實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國機(jī)械工程，2009，20(1):60-63.

Influences of structural and operating parameters on performance of self-excited pulse jet device

ZHAO Li1，2，GAO Chuanchang1，LIU Xinyang1，LIU Caiping1(1.College of Water Conservancy，North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou450011，China;2.Products Quality Standards Institute of Ministry of Water Resources，Hangzhou310012，China)

In order to study the influences of structural and operating parameters on the performance of self-excited pulse jet device，a large number of experiments on the self-excited pulse jet device are performed by use of the self-developed test system.The influences of change of lower-nozzle diameter，cavity length and working pressure on the hitting power of the pulse jet and pulse effect are analyzed under the upper-nozzle diameter of 8 mm and the cavity diameter of 120 mm.The experimental results show that different lower-nozzle diameters，cavity lengths and working pressures have different influences on the hitting power of the pulse jet.Each lower-nozzle diameter has the optimal ranges of cavity length and working pressure for the best pulse effects.The smaller the cavity length，the better the pulse effects.

self-excited pulse jet;device performance;optimal parameter;hitting power

TV136

A

1006-7647(2012)06-0067-03

10.3880/j.issn.1006-7647.2012.06.017

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201201085);華北水利水電學(xué)院研究生創(chuàng)新課題(YK2010-10)

趙禮(1986—)，男(滿族)，遼寧綏中人，碩士研究生，主要從事流體噴射技術(shù)研究。E-mail:ali0418@126.com

2012-02-27 編輯:周紅梅)