不同圍壓下自激吸氣脈沖射流噴嘴吸氣性能的試驗研究

高傳昌，馬建嬌，梁曉玲，盧 佳

(1．華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院，河南 鄭州 450045;2．吉林省銀河水利水電新技術(shù)設(shè)計有限公司，吉林 長春 130012)

自激脈沖射流不同于連續(xù)射流，它不需要外加激勵源，僅利用脈沖射流噴嘴裝置的結(jié)構(gòu)特性使流體產(chǎn)生自激振蕩，將連續(xù)射流變成脈沖射流［1］． 自激脈沖射流不僅結(jié)構(gòu)簡單、密封性好、可靠性高、成本低廉，而且具有體積小、無需附加外驅(qū)動機(jī)構(gòu)等優(yōu)點．由于脈沖射流技術(shù)具有高度聚能、沖蝕性能強(qiáng)、清洗效率高等突出特點，近些年來其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，被廣泛應(yīng)用于水庫清淤、石油鉆井和鉆探破巖等方面［2］．自激脈沖射流技術(shù)的應(yīng)用范圍將更大，前景將更好．

噴嘴的吸氣性能是影響自激脈沖射流效果的重要因素．影響自激脈沖射流裝置吸氣效果的因素主要包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)兩方面． 國內(nèi)外學(xué)者對自激振蕩脈沖射流裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面進(jìn)行了大量研究［3－6］，對自激吸氣脈沖射流噴嘴的吸氣性能也進(jìn)行了初步研究［7］，但都沒有詳細(xì)研究一定入口且深水條件下無量綱吸氣量(吸氣量/工作流量)隨各結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)配比的變化規(guī)律． 筆者運用無量綱法分析了各參數(shù)配比與相對吸氣量之間的影響關(guān)系，得出自激吸氣脈沖射流裝置的最佳吸氣性能參數(shù)范圍．

1 試 驗

1．1 試驗裝置

自行研制的深水淹沒射流試驗系統(tǒng)如圖1 所示．該系統(tǒng)由壓力容器罐(圖2)、自激吸氣脈沖射流噴嘴、靶盤、動力設(shè)備、量測設(shè)備、穩(wěn)壓設(shè)備和循環(huán)管路及水池等組成．以壓力容器罐作為模擬水下環(huán)境的主要載體，試驗前將自激吸氣脈沖射流噴嘴裝置置于壓力容器罐內(nèi)．

圖1 深水淹沒射流試驗系統(tǒng)

圖2 壓力容器罐裝置圖

1．2 試驗過程

利用單級離心泵從循環(huán)水池中抽水，注入壓力容器罐內(nèi)，通過補(bǔ)水管路、回水管路、穩(wěn)壓設(shè)備和測壓設(shè)備實現(xiàn)不同水深的圍壓模擬．圍壓穩(wěn)定后，由多級離心泵供給壓力水，通過壓力控制器和閘閥按試驗設(shè)計要求控制工作水壓力． 工作壓力水經(jīng)自激吸氣脈沖射流噴嘴形成的液氣脈沖射流直接噴射到裝有傳感器的靶盤上，傳感器將試驗數(shù)據(jù)傳遞到計算機(jī)，計算機(jī)把試驗產(chǎn)生的電信號轉(zhuǎn)換成壓力信號，對自激吸氣脈沖射流噴嘴的性能進(jìn)行分析．

1．3 試驗內(nèi)容

試驗選取了不同的上噴嘴直徑、下噴嘴直徑、腔徑和腔長，在指定的運行參數(shù)(工作壓力、圍壓)下，對自激吸氣脈沖射流噴嘴的吸氣性能進(jìn)行了試驗研究，分析了無量綱參數(shù)與相對吸氣量之間的關(guān)系．

2 試驗結(jié)果與分析

本次試驗涉及的參數(shù)個數(shù)較多，運用無量綱化方法可以減少獨立參數(shù)的個數(shù)，簡化試驗結(jié)果分析過程．無量綱參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下．上、下噴嘴面積比為

腔徑與上噴嘴直徑比為

腔長與上噴嘴直徑比為

圍壓與工作壓力比為

吸氣量與工作流量比，即相對吸氣量為

式中:d1為上噴嘴直徑，mm;d2為下噴嘴直徑，mm;Dc為腔徑，mm;Lc為腔長，mm;Pw為圍壓，MPa;P0為工作壓力，MPa;q吸為吸氣量，m3/s;q流為工作流量，m3/s．

根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)，以相對吸氣量作為衡量自激吸氣式脈沖射流噴嘴吸氣性能的目標(biāo)值，分別以m，Ldd，Lcd和P 為自變量，可繪制部分參數(shù)的變化關(guān)系曲線，并進(jìn)行以下4 個方面的分析．

2．1 上、下噴嘴面積比m

圖3 為不同圍壓的相對吸氣量q 在不同工作壓力下隨面積比m 的變化曲線．

圖3 不同圍壓下，面積比m 與相對吸氣量q 的無因次圖

由圖3 可知，隨著工作壓力的增加，相對吸氣量q 隨面積比m 的變化曲線逐漸上升，工作壓力越大，相對吸氣量q 也越大;在圍壓為0．1 MPa 和0．2 MPa時，相對吸氣量q 隨著面積比m 的增加而增加;而在圍壓為0．3 MPa 和0．4 MPa 時，相對吸氣量q 在面積比m =4．0 ～5．5 時的吸氣量最佳，m ＜4．0 或m ＞5．5 時的吸氣量減?。?/p>

經(jīng)分析知:隨著工作壓力提高，射入自激吸氣脈沖射流發(fā)生裝置的流體增多，單位質(zhì)量射流的動能增大，腔內(nèi)負(fù)壓區(qū)增加，對空氣的卷吸作用增大，提高氣體吸入量．同時，面積比m 過小時，大部分流體不能及時從裝置下噴嘴射出，與碰撞壁作用后在腔體內(nèi)堆積，蓄積的能量不能及時釋放，使腔內(nèi)負(fù)壓區(qū)減小，影響了對氣體的卷吸作用;面積比m 過大則會使從核心區(qū)射出的高速流體直接從下噴嘴射出，不能與碰撞壁作用形成有效的負(fù)壓區(qū)，對空氣的卷吸作用減弱，從而影響相對吸氣量．由于本次試驗條件限制，圍壓為0．1 MPa 和0．2 MPa 時的最優(yōu)相對吸氣量對應(yīng)的面積比不太明確，有待進(jìn)一步確定．

2．2 腔徑與上噴嘴直徑比Ldd

圖4 為不同圍壓下的相對吸氣量q 在不同工作壓力下隨腔徑與上噴嘴直徑比Ldd的變化曲線．

圖4 不同圍壓下，腔徑與上噴嘴直徑比Ldd與相對吸氣量q 的無因次圖

由圖4 可以看出:在試驗范圍內(nèi)，不同圍壓下相對吸氣量q 隨腔徑與上噴嘴直徑比Ldd的變化趨勢基本相同，均在Ldd=9．5 時，相對吸氣量q 達(dá)到最大值．在4 種圍壓條件下，均在Ldd=12．0 時，q 達(dá)到最小值;而在Ldd=12．5 時，q 又突然增大． 因此，當(dāng)腔徑與上噴嘴直徑比為9．5 時，水下自激吸氣脈沖射流噴嘴的吸氣性能較好．

經(jīng)分析可知，來流流量一定時，上噴嘴直徑的大小直接影響單位質(zhì)量流體射流的動能以及與碰撞壁作用后腔內(nèi)形成負(fù)壓區(qū)的程度，從而影響射流渦環(huán)氣團(tuán)的形成情況．腔徑是射流能量傳遞的主要區(qū)域，腔徑的大小將直接影響上噴嘴出口射流在腔體內(nèi)的徑向發(fā)展程度，從而影響渦環(huán)擾動幅度的大小，相繼影響自激吸氣過程的發(fā)生，兩者配合存在可促使相對吸氣量參數(shù)配比處于較優(yōu)狀態(tài)．

2．3 腔長與上噴嘴直徑比Lcd

圖5 為不同圍壓下的相對吸氣量q 在不同工作壓力下隨腔長與上噴嘴直徑比Lcd的變化曲線．

由圖5 可知:在4 種圍壓下，相對吸氣量q 隨腔長與上噴嘴直徑比Lcd的變化曲線基本一致;在Lcd≤8．5時，相對吸氣量q 隨腔長與上噴嘴直徑比Lcd的增加基本呈直線上升;當(dāng)Lcd＞8．5 時，q 隨Lcd的增加急劇上升，因此，當(dāng)Lcd＞8．5 時，水下自激吸氣式脈沖射流噴嘴的吸氣性能較好．

經(jīng)分析可知，隨著Lcd的增加，上噴嘴出口射流能量增加使腔體內(nèi)部形成較多的渦環(huán)氣團(tuán)，且隨著腔長的增加氣團(tuán)有較充足的發(fā)展空間，能夠形成較大的渦環(huán)氣團(tuán)，促使相對吸氣量增大．

圖5 不同圍壓下，腔長與上噴嘴直徑比Lcd與相對吸氣量q 的無因次圖

2．4 圍壓與工作壓力比P

圖6 為不同下噴嘴直徑下圍壓與工作壓力比P與相對吸氣量q 的關(guān)系曲線，圖中10 －120 －70 表示結(jié)構(gòu)為上噴嘴10 mm、腔徑120 mm、腔長70 mm的射流噴嘴．

圖6 不同下噴嘴直徑下，圍壓與工作壓力比P 與相對吸氣量q 的無因次圖

從圖6 中可以看出:不同下噴嘴直徑下相對吸氣量q 隨P 的變化規(guī)律基本相同;相對吸氣量q 均隨著P 的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且當(dāng)P =0．19 時，相對吸氣量處于最低． 因此最不易選取的點為P=0．19 處．

經(jīng)分析可知，圍壓的增加對腔內(nèi)負(fù)壓區(qū)增加有抑制作用，射流內(nèi)部渦環(huán)氣團(tuán)不易發(fā)展，從而影響裝置對空氣的卷吸作用，促使相對吸氣量減小．

3 試驗研究成果

1)m=2．5 時，相對吸氣性能不好，不宜選取，最優(yōu)相對吸氣量對應(yīng)的面積比m 與圍壓有關(guān)．

2)圍壓為0．1 MPa 和Ldd為9．5 ～10．5 時，裝置的吸氣性能較好;圍壓為0．2 MPa 和Ldd為9．5 ～11．5 時，裝置的吸氣性能較好;圍壓分別為0．3 MPa和0．4 MPa 和Ldd為9．5 ～10．5 時，裝置的吸氣性能較好．

3)當(dāng)Lcd＜8．5 時，相對吸氣量q 隨Lcd的增大呈線性增大;當(dāng)Lcd≥8．5 時，各圍壓下相對吸氣量q 隨Lcd增大而增大的速度不同，Lcd=9．5 時相對吸氣量q 最大．

4)圍壓與工作壓力之比P 對相對吸氣量q 的影響很大，P=0．19 是一個分界點．在該結(jié)構(gòu)下相對吸氣量q 隨P 的增大是先減小后增大，而相對吸氣量q 減小或增大的速度取決于圍壓與工作壓力之比P 和下噴嘴直徑．

4 結(jié) 語

對自激吸氣脈沖射流噴嘴的吸氣性能進(jìn)行了大量的試驗研究，分析研究了一定入口條件下各結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)配比對自激吸氣脈沖射流噴嘴相對吸氣量的影響，得出了深水條件下相對吸氣量隨自激脈沖射流裝置各無量綱參數(shù)的變化規(guī)律，確定了產(chǎn)生高效能脈沖射流相對吸氣量的無量綱參數(shù)的范圍，為自激吸氣脈沖射流裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)．

［1］Xin Sun，Koji Shiono．Flow resistance of one-line emergent vegetation along the floodplain edge of a compound ehannel［J］．Advances in Water Resources，2009，32:430 －438．

［2］王樂勤，王循明，徐如良，等．低壓大流量自激振蕩脈沖射流噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究［J］． 流體機(jī)械，2004，32(3):7 －10．

［3］裴江紅，唐川林，張鳳華，等．非淹沒射流條件下自激振蕩脈沖射流噴嘴試驗研究［J］．礦山機(jī)械，2006，34(10):96－98．

［4］王循明．自激式脈沖射流裝置性能影響因素數(shù)值分析及噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［D］．杭州:浙江大學(xué)，2005．

［5］廖振方，唐川林，張鳳華． 自激振蕩脈沖射流噴嘴的試驗研究［J］．重慶大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2002，25(2):28 －32．

［6］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)試驗研究［J］．華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2010，31(2):47 －51．

［7］高傳昌，黃曉亮，趙禮，等．淹沒水流自激吸氣式脈沖射流噴嘴吸氣性能［J］．人民黃河，2012，34(4):20 －25．