水射流沖擊固體表面的能量因素與沖蝕機理

康 燦，劉海霞，周 亮，楊敏官

(1.江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013;2.江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

水射流是一種重要的流動行為，也是多個重要工程領域內(nèi)關注的對象之一.在不同的射流壓力條件下，水射流流束的形態(tài)之間存在著很大的差別，不同形態(tài)射流束的內(nèi)部能量分布特征及破碎模式也不相同［1］.涉及多種非線性因素的射流束穩(wěn)定性問題仍是目前具有挑戰(zhàn)性的難題之一，尤其是在較高的射流壓力條件下，環(huán)境流體對射流束的作用更加難以捕捉與?；?-3］.當射流壓力超過200 MPa時，常規(guī)的流動測量方法難以準確獲取流動參數(shù)分布.盡管一些先進的流動測量或顯示方法如紅外熱成像法等不斷在高壓射流的研究中得到實踐與發(fā)展，相關的定量研究結(jié)果仍然極為缺乏［4］.

近年來，對高壓水射流流動開展的研究多集中在數(shù)值模擬方面，研究結(jié)論偏重定性分析.也有學者在900 m·s-1的高速純水射流沖蝕固體壁面的研究中，運用有限元方法與光滑粒子流體動力學方法相結(jié)合的手段，模擬分析了流場和射流的沖擊效應，綜合考慮了流體和固體的相互影響［5-6］.在試驗方法的探索中，有的學者為獲得射流沖擊固體壁面的沖擊力，采用在被沖擊的固體表面埋設傳感器的方法對射流破壞巖石的機理進行了研究［7］.而通常的試驗中多根據(jù)射流沖擊過的試樣的質(zhì)量損失來估計射流的作用力［8］.隨著材料表面檢測技術的發(fā)展，對試樣表面輪廓進行光學掃描可以更為合理地評估水射流的打擊效果［9］.從工程應用的角度來看，運行參數(shù)如噴嘴移動速度、靶距、射流壓力和流量等對水射流效果的影響倍受關注，針對水射流的特定應用而開展的大多數(shù)試驗研究也以尋找最優(yōu)化的運行參數(shù)組合為目標［5］.

水射流流束的內(nèi)部速度分布和流束波動與被沖擊過的固體壁面的形貌特征之間存在著密切的關聯(lián).更為具體地講，受射流作用過的固體表面的形貌特征應該與射流流束的局部特征相呼應.本研究遵循這一思路，以壓力為280 MPa的射流為研究對象，采用流場測量的方法，獲得射流束內(nèi)的能量集聚與脈動特性;拍攝流束輪廓的瞬態(tài)波動，并運用圖像處理的方法對瞬時圖像進行分析;進而對磨料射流作用過的Al合金試樣表面進行掃描電鏡觀察與三維輪廓分析，以期通過特征形貌來間接描述射流的本質(zhì)特性與沖蝕能力.

1 純水射流噴嘴結(jié)構

試驗中所采用的純水射流噴嘴結(jié)構示意圖如圖1所示，圖中尺寸單位為mm，內(nèi)流道直徑為0.33 mm的人造藍寶石為主要磨損件，也是使水流加速的關鍵過流部件.噴嘴體外圍部分的材料為不銹鋼.射流自噴嘴噴出前會突然擴散至直徑為1.00 mm的直段.試驗過程中側(cè)重考慮射流流束的形態(tài)與能量特征，并不考慮噴嘴內(nèi)流道內(nèi)的能量損失與可能發(fā)生的空化現(xiàn)象.

圖1 純水射流噴嘴剖面圖

2 流動測量試驗

2.1 試驗系統(tǒng)與測量體布置

目前在流動速度的光學測量方面常采用的2種方法為粒子圖像速度場(PIV)法和激光多普勒粒子分析儀(PDPA)法.一般的PIV系統(tǒng)不能滿足湍流脈動的測量，其在高壓射流測量中的應用也鮮見報道.本試驗中采用PDPA對水射流流場進行流速測量，PDPA技術為單點測量技術，可以同時獲得示蹤粒子的流動速度和粒徑，是定量測量射流流場的重要手段之一［10］.試驗在自由射流條件下進行，采用如圖2所示的前向接收模式.

圖2 試驗系統(tǒng)示意圖

試驗中未添加專門的示蹤粒子，借助介質(zhì)內(nèi)部的雜質(zhì)和散布在射流束中的液滴進行速度追蹤.由于試驗中不涉及液滴粒徑值的統(tǒng)計問題，且測量的開展僅局限于近噴嘴區(qū)，所以認為該示蹤方法可行.建立以噴嘴出口斷面中心為坐標原點、z軸正向與射流主流方向一致的三維直角坐標系.流場測量在z=3.0 mm和z=7.0 mm射流束截面上進行.在每一個截面上，借助控制軟件實現(xiàn)PDPA發(fā)射和接收探頭的同步移動，從而遍歷如圖3所示的所有測量體.

圖3 測量截面的測量體布置

2.2 流動試驗結(jié)果與分析

運用PDPA技術測量得到的z=3.0，7.0 mm截面上的速度分布分別如圖4a，b所示，圖中平均速度單位為m·s-1，從速度分布形態(tài)來看，z=3.0 mm截面的速度分布呈現(xiàn)“平頂帽”形態(tài)，該區(qū)域的速度最大值達到了580 m·s-1.在高速區(qū)域的邊緣存在著明顯的速度梯度，該速度梯度預示著連續(xù)射流與強烈霧化區(qū)之間的分界位置.射流外層與外界空氣間的速度差是擾動局部射流束甚至導致射流霧化的關鍵因素.在z=7.0 mm截面上，“平頂帽”狀的高速區(qū)依然存在，該高速區(qū)內(nèi)的總體速度量值較z=3.0 mm斷面小，且該高速區(qū)的面積較大.同時，z=7.0 mm截面上的高速區(qū)與低速區(qū)之間的速度梯度相對較小.

圖4 射流束截面上的平均速度分布

流體的流動速度常被分解為2部分:①平均速度;②脈動速度.脈動速度是影響射流流體內(nèi)部動量傳遞和射流束破碎的重要因素.

脈動速度的均方根值，也稱為均方根速度，定義如下:

式中:N為同一測量體內(nèi)的采樣點數(shù)目;ui為單個粒子的速度;ua為基于同一測量體內(nèi)的所有粒子的瞬時速度而獲得的平均速度.

水射流攜帶的動能是射流沖蝕固體壁面的重要因素.從2個截面的速度分布形態(tài)已可以推斷在不同的靶距處射流沖擊能力的明顯差異.脈動速度是反映湍流物理本質(zhì)的重要參數(shù)，與射流中的湍動能、湍動能耗散率及耗散能量的最小渦尺度密切相關.在高雷諾數(shù)Re流動條件下，流場中的湍流脈動是不可忽視的因素，因此，根據(jù)PDPA的測量結(jié)果構建了脈動速度在2個截面的分布，如圖5所示，圖中均方根速度單位為m·s-1.

圖5 射流束截面上的均方根速度分布

從圖5可以看出:2個截面的均方根速度分布與平均速度分布相呼應，在z=3.0 mm截面上，流束截面中心處出現(xiàn)明顯的均方根速度低谷，該低谷的直徑約為0.8 mm.可以認為:在該低谷所代表的區(qū)域內(nèi)，射流流束處于穩(wěn)定狀態(tài)，外界空氣對該區(qū)域的干擾可以忽略.同時，在z=7.0 mm截面，均方根速度分布的形態(tài)與z=3.0 mm截面相似，而均方根速度低谷覆蓋的面積增大.值得注意的是，在該低谷邊緣出現(xiàn)了明顯的周向不對稱性，射流有向不穩(wěn)定狀態(tài)過渡的趨勢.從均方根速度的量級來看，在此高Re射流中，射流核心區(qū)的湍流強度相對于中低Re射流較小.

3 流束形態(tài)波動試驗

PDPA系統(tǒng)采用對測量體內(nèi)所通過的粒子信息進行統(tǒng)計的方法，無法同時獲取流束形態(tài)的波動.高速數(shù)碼攝像技術是近年來在流動顯示方面得到成功應用的一種手段，其對于瞬態(tài)流動現(xiàn)象的捕捉具有很強的針對性.為了記錄流束輪廓的波動過程，應用高速數(shù)碼攝像機，輔以LED光源，對近噴嘴區(qū)流束段進行了拍攝.拍攝過程中采用的拍攝頻率為5 000幀·s-1，即相鄰的2幅圖像之間的時間間隔為0.2 ms.

圖6為對應于某一拍攝時刻的流束形態(tài)原始圖像，該圖像中明暗區(qū)別的流束區(qū)域直觀地表示出了流束的集聚與徑向擴散特征.為定量分析流束的波動幅度沿射流方向的發(fā)展及瞬態(tài)變化，采用圖像處理軟件對原始圖像進行處理，獲得了射流流束中心線上的圖像灰度值隨時間的變化.

圖6 射流束形態(tài)的原始圖像

圖7為隨機選取的6幅連續(xù)圖像(t1-t6)中的流束中心線灰度值分布，距離噴嘴出口1.0～6.0 mm的流束段，灰度值較高，且波動幅度較小，該段的集束性較強.而在距離噴嘴出口6.0～11.0 mm處，灰度值下降明顯，說明流束的徑向擴散嚴重.工程上應用的破壞性射流的打擊靶距一般為2.0～5.0 mm，這一點從流束波動特征上也可以反映出來.從靶距1.0～11.0 mm的范圍內(nèi)的波動差異也可以得出結(jié)論，射流束的連續(xù)性沿著射流前進方向不斷被破壞，射流束對固體壁面的作用能力也會隨之減弱.

圖7 用圖像灰度值表示的射流束輪廓波動特征

4 固壁表面形貌試驗

為了借助射流作用過的固體表面形貌來描述射流流束的能量分布及其對固體壁面的沖蝕作用，選用厚度為8.0 mm的Al合金板作為射流沖擊對象，以其表面形貌特征作為描述射流能量分布的依據(jù).試驗中采用與文獻［11］中相同結(jié)構的噴嘴，選用粒徑為177 μm的石英砂作為磨料，混合管的出口直徑為0.8 mm.由于水流的流速較高，可近似認為在所關注的z=3.0，7.0 mm射流束截面上，磨料的z向速度分量與位于同一位置的流體質(zhì)點的z向速度分量大小相同.試驗中采取的射流壓力同樣為280 MPa，水的流量為 3.7 L·min-1，噴嘴支撐機構與機床的懸臂相連，通過機床控制系統(tǒng)可實現(xiàn)噴嘴在3個直角坐標方向的移動.本試驗中，射流的主流方向始終與Al合金板垂直，噴嘴僅沿同一水平方向平移，平移速度為200 mm·min-1.噴嘴的平移速度決定了射流在試樣表面同一位置停留的時間，對射流作用效果有很大影響.

在靶距分別為3.0，7.0 mm 條件下，射流均能將Al合金板切穿，從而得到了被射流切割而形成的試樣斷面.通常認為該切割過程的主導因素在于水楔作用和石英砂粒磨削作用.盡管利用有限元方法可以對受到砂粒沖擊的試樣進行瞬態(tài)應力模擬，卻無法獲得試樣斷面的形貌［11］.為觀察試樣斷面的沖蝕形態(tài)，首先采用掃描電鏡SEM對在不同靶距條件下獲得的試樣進行了表面觀測.由于水射流的作用機理是冷態(tài)作用，不存在組織形貌的改變，采用SEM得到的結(jié)果也僅僅反映試樣表面的一般特征.試樣表面的SEM照片如圖8所示.靶距為3.0 mm時的SEM觀測結(jié)果如圖8a所示，射流方向為垂直向下，形成了明顯的沖蝕條紋，且條紋分布較為貫通、均勻.在該圖像中突出顯示了磨削痕和截斷痕這2個明顯的射流作用痕跡.在相同的放大倍數(shù)下，靶距為7.0 mm時的沖蝕結(jié)果如圖8b所示，射流方向同樣為垂直向下，射流沖蝕所致的形貌較為雜亂，幾乎不存在上下貫通的條紋.同時，磨削痕相對傾斜，截斷痕的產(chǎn)生更顯得吃力.在圖8b中還存在1個明顯的撞擊痕特征，該特征的出現(xiàn)一方面是由于靶距增加、流束徑向擴散而引起砂粒的徑向速度值增加，另一方面，砂粒動能隨靶距增加的衰減也是不可忽視的因素.可以預測，在砂粒與試樣發(fā)生碰撞的過程中，砂粒的破碎和砂粒嵌入試樣表面2種現(xiàn)象同樣存在著較大的發(fā)生概率，該作用過程到目前為止尚未獲得全面且準確的解釋.

圖8 試樣表面的SEM照片

為了定量評估試樣表面的形貌特征，采用光學輪廓掃描技術對2種靶距條件下獲得的切割表面進行了粗糙程度的三維測量.在圖9a，b中分別突出了磨削痕和截斷痕這2個特征.在圖9中，縱坐標z的原點并不在噴嘴出口斷面的中心，該坐標僅表示所選取的采樣面沿射流主流方向的尺寸大小.同時，用色譜分布的方式來反映試樣表面上的采樣點高度分布.可以看出，受到磨料射流作用的試樣表面存在著形態(tài)各異的痕跡，這些痕跡的尺度與砂粒的單次或多次沖擊有關，更與射流能量的衰減密切關聯(lián).相對于圖9a，圖9b所示的形貌特征更加不規(guī)則.三維輪廓顯示方法是一種定量的方法，基于這種方法，可以獲得某一局部區(qū)域上的統(tǒng)計粗糙度.在2種靶距條件下，各隨機選取了3個觀測面，且所有觀測面的尺寸與圖9所示相同.在每一個觀測面上均取353 280個測點，記錄每個測點的高度值，獲得了與測點高度值對應的概率密度，如圖10所示.

圖9 試樣表面的局部三維形貌

圖10 試樣表面采樣點高度的概率密度分布

測量得到的相對高度值均在-140～40 μm.在相對高度值小于-20 μm和大于16 μm時，其對應的概率密度均小于0.5%，故在圖10中略去了這2個區(qū)間的概率密度顯示.由圖10可以看出:在z=3.0 mm時，3條概率密度曲線均向相對高度0值(參考水平面)收縮，且均呈現(xiàn)明顯的單峰分布.相比之下，z=7.0 mm時，對區(qū)域整體粗糙度有著顯著影響的采樣點高度值范圍較寬，且所隨機抽取的3個區(qū)域中均出現(xiàn)了雙峰分布特征，這也與圖8所示的不同靶距條件下的形貌特征差異相對應.沿著圖10所示的思路可以將各區(qū)域的采樣點高度在整個試樣表面進行平均化，從而獲得評價射流對試樣表面作用的整體效果的關鍵度量參數(shù).

5 結(jié)論

1)高速水射流流束截面中心存在著高速核心區(qū)，其提供了破壞固體壁面的主要能量.該高速核心區(qū)同時以湍流均方根速度的谷狀分布為重要特征.在高速核心區(qū)外圍存在著明顯的速度梯度.隨著射流向下游延伸，高速核心區(qū)不斷沿徑向擴散，且射流所攜帶的動能不斷衰減.

2)由射流束中心線的圖像灰度值沿射流方向的分布可以判斷射流束輪廓的分段波動特征，由此結(jié)果也可以映射出在高Re條件下，環(huán)境空氣對射流束的擾動是一種小時間尺度現(xiàn)象，沿射流方向，射流束抵御這種擾動的能力存在著明顯差異.

3)在受磨料水射流作用的Al合金試樣表面上，磨削痕、截斷痕、撞擊痕等明顯的形貌特征與復雜的射流作用密切相關.盡管目前能夠從這些形貌特征中提取表面粗糙度、采樣點高度的概率密度等重要信息，但這些形貌特征的產(chǎn)生機制仍有待于進一步探索.

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