高傳昌,蘇泊源,張世斌,劉彩萍,李 航
(華北水利水電學院電力學院,河南鄭州450011)
自激脈沖射流作為一種新型射流技術,其裝置具有結構簡單、體積小、無附加外部驅動機構、成本低廉和可靠性高等優(yōu)點,目前得到了廣泛應用和發(fā)展.國內外學者通過理論分析、數值模擬和試驗等方法對其進行了大量研究[1-5],研究對象主要針對中、高壓小流量[6-9],應用范圍多集中于清洗、切割、破土、破巖和石油鉆探[10-11]等方面.低壓大流量射流技術在深水清淤方面具有較好的發(fā)展前景,但針對其研究較少.
目前,深水水庫的庫底泥沙處理仍是一個世界性難題,傳統(tǒng)的機械清淤、泄洪清淤及射流技術不能適用于深水水庫的泥沙清淤,為解決這一實際工程問題,筆者的課題組研制出一種適用于深水條件下的新型自激吸氣脈沖射流裝置,利用自制的淹沒射流試驗系統(tǒng),在結構參數一定時,對裝置自激吸氣脈沖射流裝置性能進行試驗,運用量綱歸一的分析方法對其裝置性能進行研究,得到相應的沖擊力與射流沖蝕效果,確定沖蝕效果與運行參數的對應關系,為射流技術在深水條件下的作業(yè)提供技術支持.
自激吸氣脈沖射流裝置示意圖如圖1所示,該裝置布置在可模擬不同水深條件的壓力容器(圖2)內.除射流裝置外,整個試驗系統(tǒng)(圖3)還包括動力設備、電磁流量計、閘閥、壓力變送器(精度0.5%,極限誤差0.81%)、計算機及循環(huán)管路等.試驗過程如下:由補水管路、回水管路、安全閥和測壓設備實現不同水深的圍壓模擬,由離心泵供給壓力水,通過壓力控制器和閘閥按試驗設計要求控制工作水壓力(工作水流量由電磁流量計測量),工作壓力水經自激吸氣脈沖射流裝置形成的脈沖射流直接噴射到裝有壓力變送器的靶盤(或裝有沖蝕樣本的沖蝕容器)上,對沖擊力和沖蝕破壞形態(tài)進行分析.
圖1 自激吸氣脈沖射流裝置示意圖
圖2 壓力容器裝置
圖3 深水條件射流試驗系統(tǒng)
試驗選取的自激吸氣脈沖射流裝置的結構參數:上噴嘴直徑為8 mm;下噴嘴直徑為14 mm;腔徑為85 mm;腔長為40 mm;吸氣管徑選擇為6.5 mm;根數為4根,沿腔體呈軸向對稱布置.運行參數:工作壓力為0.8~2.0 MPa;吸氣工作壓力根據裝置開始自行吸氣情況而定;模擬水深h為10~60 m;靶距為50 mm.對上述不同工作壓力、淹沒水深進行試驗,得到對應的沖擊力和沖蝕效果,沖蝕試樣選用粉狀專用脂,具體物性指標如表1所示,并對該裝置的自吸氣量進行測量.試驗過程中,不同工作壓力及水深條件下,自激吸氣脈沖射流的沖蝕時間均為5 min,壓力容器中水溫變化范圍為0~5℃.
表1 粉狀專用脂主要物性參數
為了分析運行參數對裝置性能及沖蝕效果的影響規(guī)律,運用量綱歸一法采用如下參數進行研究.
相對沖擊力為
式中:p為靶心沖擊力時均值(由信號采集系統(tǒng)測量),MPa;p0為工作壓力,MPa.
吸氣效率為
式中:Qg為自吸氣量,m3·h-1;Ql為液體流量,m3·h-1.
相對沖蝕面積為
式中:A1為沖蝕表面積,cm2,網格最小格為1 cm2的用網格法測量;A0為沖蝕試樣總表面積,cm2.
相對沖蝕深度為
式中:H1為沖蝕最大深度(深度游標卡尺測量),cm;H0為沖蝕試樣總深度,cm.
相對沖蝕體積為
式中:V1為沖蝕體積,cm,采用填水法測量;V0為沖蝕試樣總體積,cm3.
裝置在模擬水深10~60 m條件下,吸氣和不吸氣2種狀態(tài)裝置性能的對比圖如圖4所示.不同水深條件下,裝置在吸氣與不吸氣2種條件下相對沖蝕深度的對比圖如圖5所示.
從圖4,5可以看出:水深在10~60 m時,裝置在吸氣和不吸氣條件下,射流相對沖擊力均隨工作壓力的增大而增大,且增大的速度隨水深的增大而逐漸減小,但在相同水深和相同工作壓力條件下,自激吸氣脈沖射流的相對沖擊力較不吸氣條件均有顯著提高.分析認為:隨著工作壓力的增大,單位質量流體的動能增大,作用在靶盤上的射流滯止壓力也隨之增大,因此,2種條件下的相對沖擊力均隨工作壓力的增大而增大.相同環(huán)境下,由于腔內氣體的存在,裝置內射流核兩側出現對稱分布的渦環(huán)氣團(見圖6),對腔體入口處來流造成影響,流體在腔內發(fā)生反饋、積聚、釋放的循環(huán)過程,裝置出口處射流沖擊力得到提高.
圖4 吸氣與不吸氣對裝置性能影響
圖5 相對沖蝕深度對比圖
圖6 腔室內渦環(huán)氣團
低水深條件下(h≤35 m),自激吸氣脈沖射流的相對沖擊力和相對沖蝕深度較不吸氣大,射流能量分布較集中,主要在射流軸向方向,而隨著水深的增加(h>35 m)自激吸氣脈沖射流的相對沖蝕深度比不吸氣時略小,由于水深增大的影響,射流能量沿徑向分布較平緩,軸向射流沖擊力減小,徑向射流沖擊力反而增大(見圖7),隨著水深的增大,圍壓對裝置出口射流的影響也增大,射流能量在軸向方向衰減迅速,朝徑向方向的擴散作用增強,射流能量分散,沖蝕效果減弱.水深10~60 m條件下,工作壓力一定時,裝置吸氣與不吸氣2種情況射流沖擊力在靶盤上的分布規(guī)律如圖7所示.水深10~60 m條件下,裝置在吸氣和不吸氣2種條件下相對沖蝕表面積對比圖如圖8所示.
圖7 射流沖擊力分布規(guī)律
圖8 相對沖蝕表面積對比圖
從圖7,8可以看出:相同條件下,自激吸氣脈沖射流在射流軸向的相對沖擊力均較不吸氣時大;低水深條件下(h≤35 m),徑向相對沖擊力較不吸氣的大,隨著水深的進一步增大,徑向相對沖擊力反而較不吸氣略小;自激吸氣脈沖射流的有效沖擊范圍和相對沖蝕表面積比不吸氣時大;由于裝置吸氣后,流體裹挾氣體從裝置出口處射流,氣體受自身可壓縮性和軸向來流的影響,在單位質量的氣液混合流沖擊沖蝕樣本時,氣體微團沿徑向迅速擴散,軸向和徑向的沖擊力都有所提高,對沖蝕樣本沿徑向的剝蝕作用強.
不同水深條件下,裝置在吸氣與不吸氣2種條件下相對沖蝕體積的對比圖如圖9所示.
圖9 相對沖蝕體積對比圖
相同水深和相同工作壓力條件下,自激吸氣脈沖射流的相對沖蝕體積較不吸氣條件有顯著提高,但隨著水深的增加,其提高幅度減小.相對沖蝕體積受相對沖蝕表面積和相對沖蝕深度的綜合影響,在裝置自吸氣時,裝置出口處為氣液兩相混合流,混合流對沖蝕材料的剝蝕和懸浮作用強,因此,吸氣較不吸氣時的沖蝕效果得到顯著提高.綜上所述,吸氣是提高裝置性能和沖蝕效果的有效途徑.
裝置在水深10~60 m條件下,隨工作壓力的增大,相對沖擊力的變化規(guī)律如圖10所示,在整個水深變化范圍內,隨著工作壓力的增大,裝置相對沖擊力基本呈線性規(guī)律緩慢增大;工作壓力一定時,隨著水深的增大,相對沖擊力減小.分析認為:隨著水深的增大,環(huán)境對裝置出口射流能量的衰減作用增強,因此,水深的增大對裝置性能造成負面作用.
圖10 工作壓力與水深對相對沖擊力的影響
由于吸氣是影響裝置性能的重要因素,為了更好地對其進行研究,圖11反映了裝置吸氣效率、工作壓力和水深的關系,裝置結構參數一定時,吸氣效率受到工作壓力和水深的共同影響,在整個水深變化范圍內,隨著工作壓力的增大,吸氣效率先迅速后緩慢增大,整體呈對數型規(guī)律.工作壓力增大,使腔內負壓區(qū)面積增大,有利于自激吸氣過程的進行;工作壓力一定時,隨著水深的增大,裝置吸氣效率下降,隨著水深的增大,腔內負壓區(qū)減小,削弱了裝置自激吸氣的能力.
圖11 工作壓力與水深對吸氣效率的影響
從上述分析可知:裝置結構參數一定時,吸氣對提高裝置性能具有顯著效果,而工作壓力和水深對裝置吸氣效率均有影響,但影響趨勢恰好相反.為了對3個因素之間的關系進行分析,通過數學建模和回歸分析的方法,確定了三者之間的函數關系:
式中:q為吸氣效率;x=0.013 3h2-0.465 7h+24.726;y=-0.004 5h2-0.061 6h+12.115.
相同條件下,自激吸氣脈沖射流的相對沖擊力和沖蝕效果較不吸氣條件均有顯著提高,吸氣對提高裝置性能及射流沖蝕效果作用顯著;吸氣效率受到工作壓力和水深的共同作用,隨工作壓力的增大而增大,隨水深的增大而減小;在整個水深變化范圍內,隨著工作壓力的增大,裝置相對沖擊力基本呈線性規(guī)律緩慢增大,吸氣效率則呈對數型規(guī)律增大.
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