水下自激吸氣式脈沖射流裝置沖擊性能試驗(yàn)

劉新陽(yáng)， 高傳昌， 劉玉龍， 馬文良， 解克宇， 胡亞州

(華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院， 鄭州　450045)

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水下自激吸氣式脈沖射流裝置沖擊性能試驗(yàn)

劉新陽(yáng)， 高傳昌， 劉玉龍， 馬文良， 解克宇， 胡亞州

(華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院， 鄭州450045)

自激脈沖射流裝置在非淹沒(méi)條件下沖擊性能較好，且裝置腔內(nèi)存在空化氣囊，沖擊力具有明顯的脈沖效果[1-3]，但在水下(淹沒(méi)條件)工作時(shí)，裝置的沖擊性能較差，而且圍壓的升高，腔內(nèi)空化越來(lái)越難產(chǎn)生[4]，脈沖效果不明顯。近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)和理論證明了在水射流中加入氣體后形成水氣射流可以明顯提高水射流的沖擊性能[5-9]。筆者在自激脈沖射流裝置研究的基礎(chǔ)上提出了一種新型水下自激吸氣式脈沖射流裝置，它通過(guò)在裝置腔體布置吸氣孔，當(dāng)裝置內(nèi)部壓力低于外部大氣壓時(shí)，空氣會(huì)通過(guò)吸氣孔自吸進(jìn)入腔內(nèi)，充分混合后形成水氣射流，前期試驗(yàn)研究證明了該裝置在較小靶距下，靶心沖擊力比不吸氣條件得到了明顯地提高[10]。為了對(duì)水下自激吸氣式脈沖射流裝置的沖擊性能進(jìn)行全面的了解，在兩種不同腔長(zhǎng)和腔徑以及吸氣和不吸氣條件下，對(duì)下噴嘴直徑、圍壓和靶距對(duì)裝置吸氣量、沖擊力以及沖蝕效果的影響進(jìn)行了分析，確定裝置的最佳沖擊射程，為裝置的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1試驗(yàn)

參考文獻(xiàn)水下自激吸氣式脈沖射流裝置如圖1所示，吸氣孔共4個(gè)，沿周向均勻布置，試驗(yàn)和測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)[10]。裝置采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：上噴嘴直徑取10mm；下噴嘴直徑對(duì)裝置的沖擊力影響較大，其大小根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定；腔徑和腔長(zhǎng)取85 mm、55 mm和120 mm、70 mm兩種配置；靶距為下噴嘴出口與靶盤之間的垂直距離取60、80、100、120、140、160 mm，靶盤上的壓力測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示，壓力測(cè)點(diǎn)共5圈，每圈布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)上布置氣動(dòng)接頭且外接測(cè)壓管，測(cè)壓管與壓力傳感器連接，傳感器指標(biāo)在0-1 MPa范圍。受加工工藝的和氣動(dòng)接頭尺寸的限制，靶盤測(cè)壓孔的內(nèi)徑取4 mm，為了保證氣動(dòng)接頭與靶盤連接的緊密，靶盤厚度取10 mm。不吸氣和吸氣工作壓力均為2.2 MPa。試驗(yàn)選用圍壓為0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa和0.6 MPa，分別相當(dāng)于水深20 m、30 m、40 m、50 m和60 m。對(duì)上述裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)、靶距和圍壓進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量裝置吸氣量并采集靶盤壓力測(cè)點(diǎn)的沖擊力，采集時(shí)間60 s并取平均值作為每個(gè)測(cè)點(diǎn)的沖擊力，將每圈4個(gè)測(cè)點(diǎn)的沖擊力進(jìn)行求和并平均，得到該圈的沖擊力。試驗(yàn)擬采用石膏作為沖蝕樣本，為了保證沖蝕效果的準(zhǔn)確性，每次沖蝕石膏的硬度值保持相同，且沖蝕時(shí)間均為5 min，采用卡尺測(cè)量沖蝕深度，測(cè)量深度為樣本中心距表面的距離，填水法測(cè)量沖蝕表面積和沖蝕體積。

圖1　自激吸氣式脈沖射流裝置Fig.1 Self-excitation inspiration pulsed jet equipment

圖2　靶盤上壓力測(cè)點(diǎn)分布(單位:mm)Fig.2 Pressure measuring points distribution on the target plate

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1下噴嘴直徑對(duì)裝置吸氣量的影響

將同圍壓下每個(gè)下噴嘴直徑在不同靶距測(cè)取的吸氣量進(jìn)行求和并平均，得到下噴嘴直徑對(duì)裝置吸氣量的影響，如圖3所示。由圖3(a)可以看出，對(duì)于腔徑85 mm和腔長(zhǎng)55 mm的裝置，下噴嘴直徑取14 mm時(shí)，圍壓在0.2~0.4 MPa之間，吸氣量基本不變化，圍壓在0.5~0.6 MPa之間，吸氣量開始下降。下噴嘴直徑取16 mm時(shí)，吸氣量最大，隨著圍壓的增加，吸氣量在10.50~9.22m3/h之間變化。下噴嘴直徑取18 mm和20 mm時(shí)，吸氣量變化范圍分別為9.61~8.42 m3/h和9.64~7.88 m3/h，吸氣量相差不大。下噴嘴直徑22 mm時(shí)，圍壓較低時(shí)吸氣量較大，隨著圍壓的增加，吸氣量下降很快，由10.27 m3/h變?yōu)?.82m3/h，圍壓較高時(shí)吸氣量較小。由圖3(b)可以看出，對(duì)于腔徑120 mm腔長(zhǎng)70 mm的結(jié)構(gòu)，當(dāng)下噴嘴直徑在16~20 mm之間時(shí)，隨著下噴嘴直徑的增大，吸氣量增大，當(dāng)下噴嘴直徑取22 mm時(shí)，吸氣量隨著圍壓的增加下降較快。

圖3　下噴嘴直徑對(duì)裝置吸氣量的影響Fig.3 Influence of under nozzle diameter on inspiration capacity

2.2裝置最佳沖擊射程的分析

由2.1小節(jié)分析可知下噴嘴直徑14 mm和22 mm時(shí)，吸氣量隨圍壓變化的規(guī)律較小或較快，所以選擇了下噴嘴直徑16 mm、18 mm和20 mm進(jìn)行沖擊射程分析。圖4給出了圍壓0.6 MPa時(shí)不同靶距下靶心和各圈的沖擊力，可以看出，在0.6 MPa圍壓條件下，兩種裝置各下噴嘴直徑的沖擊規(guī)律是類似的，在靶心和第1圈位置處，隨著靶距的增大沖擊力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而且下降幅度較大；第2圈和第3圈，隨著靶距的增大，沖擊力呈上升的趨勢(shì)，但上升幅度較??；第4圈和第5圈，由于半徑的增大，靶距對(duì)沖擊力值影響差距很小。當(dāng)靶距為60 mm時(shí)，沖擊力下降較快，曲線變化最陡，從第2圈到第5圈，沖擊力基本不變化，說(shuō)明了該靶距下裝置出口射流還沒(méi)有完全擴(kuò)散；靶距增大時(shí)，靶心沖擊力下降，第2圈至第4圈，沖擊力緩慢上升，曲線變化越來(lái)越平緩，當(dāng)靶距達(dá)到160 mm時(shí)，曲線最為平緩，此時(shí)隨著下噴嘴直徑的增大，靶心處沖擊力與第1圈相近，甚至小于第1圈，說(shuō)明射流沖擊力已經(jīng)充分地衰減。由此可知，對(duì)于水下自激吸氣式射流裝置來(lái)說(shuō)，存在一個(gè)最佳沖擊射程，既可以保證靶心和第1圈的沖擊力較大，也可以保證第2圈和第3圈沖擊力不至于過(guò)小。對(duì)于腔徑85 mm腔長(zhǎng)55 mm的裝置，下噴嘴直徑16和18 mm時(shí)最佳沖擊射程為80~120 mm，下噴嘴直徑20 mm時(shí)取80~100 mm；對(duì)于腔徑120 mm腔長(zhǎng)70 mm的裝置，下噴嘴直徑16~20 mm最佳沖擊射程均取80~100 mm。對(duì)于0.2~0.5 MPa的圍壓，沖擊力的變化規(guī)律與0.6 MPa非常類似，限于篇幅，這里不再敘述，具體的最佳沖擊射程范圍見(jiàn)表1。

表1　裝置最佳沖擊射程(單位: mm)

圖4　靶距對(duì)裝置沖擊力的影響Fig.4 Influence of standoff distance on impact power

圖5　裝置不吸氣和吸氣沖擊力的比較Fig.5 Comparison of impact power under inspiration and non-inspiration e

2.3裝置不吸氣和吸氣沖擊力的比較

為了比較裝置不吸氣和吸氣沖擊力的分布規(guī)律，選取了靶距100 mm和圍壓0.3 MPa、0.6 MPa條件下吸氣和不吸氣的沖擊力進(jìn)行分析，如圖5所示?？梢钥闯?，裝置吸氣后靶心和第1圈的沖擊力得到了明顯地提高，而第2圈到第5圈，吸氣后沖擊力則下降，且隨著半徑的增大，下降幅度越來(lái)越小，與不吸氣相比，自激吸氣式脈沖射流裝置在水下具有明顯的聚能效果，說(shuō)明了下噴嘴出口處中心速度大于不吸氣，原因在于加氣后氣體引發(fā)減阻所致。

2.4下噴嘴直徑對(duì)沖擊力和沖蝕效果的影響

由前面分析得到了裝置下噴嘴直徑對(duì)吸氣量和沖擊力的影響，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)腔徑120 mm腔長(zhǎng)70 mm裝置的吸氣量和沖擊力均小于腔徑85 mm腔長(zhǎng)55 mm裝置，所以下面主要分析腔徑85 mm腔長(zhǎng)55 mm裝置下噴嘴直徑對(duì)沖擊力和沖蝕效果的影響，如圖6和圖7所示，圖6給出了靶距100 mm下噴嘴直徑對(duì)靶心及各圈沖擊力的影響，由于第4圈和第5圈沖擊力相差很小，這里不列出?？梢钥闯?，不同圍壓下靶心和第1圈的沖擊力隨著下噴嘴直徑的增大呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且第1圈的下降幅度比靶心處平緩。圍壓在0.4~0.6 MPa之間時(shí)，下噴嘴直徑18 mm第2圈和第3圈的沖擊力最大，當(dāng)圍壓在0.2~0.3 MPa之間時(shí)，下噴嘴直徑20 mm沖擊力最大。

圖6　下噴嘴直徑對(duì)裝置沖擊力的影響Fig.6 Influence of under nozzle diameter on impact power

圖7給出了靶距100 mm和圍壓0.5 MPa下噴嘴直徑對(duì)沖蝕效果的影響。沖蝕深度和沖蝕體積均隨著下噴嘴直徑的增大而減小，沖蝕表面積在下噴嘴直徑18 mm達(dá)到最大，原因在于沖蝕深度主要取決于靶心的沖擊力，下噴嘴直徑增大沖擊力減??；而沖蝕表面積則取決于射流整個(gè)沖擊擴(kuò)散范圍，由圖6(c)和(d)可知，下噴嘴直徑18 mm在第2圈和第3圈的沖擊力最大，導(dǎo)致其沖蝕表面積最大。

3結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)開展了水下自激吸氣式脈沖射流裝置的沖擊性能的研究，得出以下結(jié)論：

(1) 下噴嘴直徑和圍壓對(duì)裝置吸氣量影響較大，圍壓越高吸氣量越小，下噴嘴直徑取16~18 mm時(shí)，吸氣量變化比較平緩。

(2)下噴嘴直徑和圍壓對(duì)裝置最佳沖擊射程的影響較小，最佳沖擊射程在80~120 mm之間。

(3) 裝置吸氣后沖擊力具有聚能效果，引起聚能效果的原因?yàn)榧託夂髿怏w引發(fā)減阻所致，但對(duì)裝置內(nèi)部氣水兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)尚不清楚，下一步需要開展對(duì)裝置的內(nèi)部流動(dòng)特性的研究。

(4) 下噴嘴直徑對(duì)靶心和第1圈的沖擊力影響規(guī)律相同，但對(duì)第2圈和第3圈的影響規(guī)律有所差異。下噴嘴直徑取16 mm時(shí)，沖蝕深度和體積最大，而下噴嘴直徑18 mm時(shí)，沖蝕表面積最大。

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第一作者 劉新陽(yáng) 男，博士，副教授，1979年3月生

摘要：為了研究水下自激吸氣式脈沖射流裝置的吸氣量、沖擊力和沖蝕效果，對(duì)兩種不同腔長(zhǎng)和腔徑裝置并結(jié)合不同下噴嘴直徑在吸氣和不吸氣以及不同圍壓條件下的沖擊性能進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：圍壓和下噴嘴直徑對(duì)裝置吸氣量的影響較大，圍壓越高吸氣量越小,存在一個(gè)最佳下噴嘴直徑范圍；圍壓和下噴嘴直徑對(duì)裝置最佳沖擊射程影響較??；與不吸氣相比，裝置吸氣后靶心和第一圈沖擊力明顯增大，其它位置沖擊力則變小，產(chǎn)生較好的聚能效果；不同圍壓下靶心和各圈沖擊力隨著下噴嘴直徑變化規(guī)律是不同的；下噴嘴直徑對(duì)裝置沖蝕深度、沖蝕表面積和沖蝕體積等沖蝕效果的影響也是不同的。

關(guān)鍵詞：水下；吸氣；脈沖射流；沖擊性能；試驗(yàn)

Impact performance tests of underwater self-excitation inspiration pulsed jet equipment

LIUXin-yang,GAOChuan-chang,LIUYu-long,MAWen-liang,XIEKe-yu,HUYa-zhou(School of Electric Power North China University of Water Resources and Electric power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:In order to study the inspiration capacity,impact power and erosion effect of underwater self-excitation inspiration pulsed jet equipment，a number of impact performance tests of two equipments with different chamber length, different chamber diameter and different under nozzle diameter in inspiration and non-inspiration conditions were conducted. The results show that the confining pressure and the under nozzle diameter are of great influence on the inspiration capacity. As the confining pressure increases, the inspiration capacity decreases and there exists an optimum range of under nozzle diameter. The confining pressure and the under nozzle diameter have slight influence on the best impact range of equipment. The impact powers at target center and around first lap increase significantly compared with those in the non-inspiration condition, so the equipment produces better shaped charge effect. The variation of impact powers at target center is different from that each lap along with the variation of under nozzle diameter. The influences of the under nozzle diameter on the erosion depth, erosion surface area and erosion volume are also different.

Key words:underwater; self-excitation inspiration; pulsed jet; impact performanc; experiment

中圖分類號(hào):TE248

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.24.031

通信作者高傳昌 男，博士，教授，1957年2月生

收稿日期：2014-10-13修改稿收到日期：2014-12-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51309099)