結(jié)合水下注氣系統(tǒng)的高壓水射流清洗技術(shù)的研究

金成柱　繆　堯

潘華辰杭州電子科技大學(xué),杭州,310018

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結(jié)合水下注氣系統(tǒng)的高壓水射流清洗技術(shù)的研究

金成柱繆堯

潘華辰杭州電子科技大學(xué),杭州,310018

摘要：為了有效擴(kuò)大水下高壓水射流清洗噴嘴的有效靶距，提出了一種結(jié)合水下注氣系統(tǒng)的高壓水射流清洗技術(shù)；設(shè)計(jì)了一套結(jié)合水下注氣系統(tǒng)的高壓水射流水下模擬實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置通過水面高度控制和壓力控制有效抑制了大流量水射流實(shí)驗(yàn)工況下的內(nèi)部壓力波動(dòng)；計(jì)算并分析了在水深為10 m的水下清洗過程中，噴嘴外環(huán)流內(nèi)的氣液比對射流流場的影響。分析結(jié)果表明，增大噴嘴外環(huán)流中的氣液比，可以有效地增大射流的噴射速度，研究結(jié)果為水下清洗實(shí)際作業(yè)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高壓水射流；水下清洗；水下模擬實(shí)驗(yàn)；氣液比

0引言

高壓水射流清洗技術(shù)是從20世紀(jì)70年代迅速興起的一種高科技清洗技術(shù)。隨著水射流技術(shù)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)外對水射流的研究重點(diǎn)已從單一提高射流壓力轉(zhuǎn)向提高水射流的總體沖擊效果。郭琦等[1]利用高壓水射流清洗技術(shù)對涂層及不同硬度工件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)工件表面質(zhì)量變化僅受水射流沖擊環(huán)境的影響； Foldyna等[2]研究脈沖射流和鋁塊樣品之間的相互作用后發(fā)現(xiàn)脈沖扇形射流對樣品的沖蝕效果可以通過改變激勵(lì)幅值、工作壓力等參數(shù)來進(jìn)行優(yōu)化。Guha等[3]從實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論方面對水射流清洗過程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明清洗過程中的最優(yōu)靶距為5D，其中D為噴嘴直徑。

我國高壓水射流清洗技術(shù)在水下設(shè)備清洗作業(yè)中的應(yīng)用正處于發(fā)展階段，在有關(guān)此方面的研究中存在以下三個(gè)問題：①為了獲得良好的水下清洗效果，高壓水射流發(fā)生裝置需要給定比陸地上更高的工作壓力(達(dá)到100 MPa的超高壓)，這無疑增加了能耗、提高了設(shè)備門檻。②為了減少能耗、降低水射流發(fā)生裝置的壓力級別，目前國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)的工作集中在空化水射流清洗技術(shù)方面，利用空泡破裂所產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力來增強(qiáng)射流的作用效果。但是該技術(shù)的有效靶距范圍只有毫米級別，如果超過這個(gè)范圍清洗效果將會(huì)大大削弱，因此空化水射流清洗必須緊貼著水下設(shè)施表面才能發(fā)揮作用。③水下船舶附著物厚度往往達(dá)到厘米級別，而螺旋槳等部件還具有復(fù)雜的幾何形狀，這要求水射流噴嘴有足夠大的有效靶距，并且水射流達(dá)到目標(biāo)時(shí)要求仍然具有必要的沖擊力。

基于以上水射流清洗技術(shù)存在的優(yōu)點(diǎn)與待解決的問題,本文采用結(jié)合水下注氣系統(tǒng)的高壓水射流清洗技術(shù)[4],提出了實(shí)驗(yàn)室模擬水下清洗過程的構(gòu)想,計(jì)算分析了在10 m水深條件下的淹沒水射流清洗過程中，噴嘴外環(huán)流內(nèi)的氣液比(文中氣液比是指外環(huán)流中氣體質(zhì)量流量占總流體質(zhì)量流量的百分比)對射流流場的影響,為模擬水下水射流清洗過程提供了理論依據(jù)。

1結(jié)合注氣系統(tǒng)的淹沒水射流清洗原理

結(jié)合水下注氣系統(tǒng)的高壓水射流清洗技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)在于高壓水射流噴嘴的設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示，噴嘴的結(jié)構(gòu)中心為高壓水射流內(nèi)噴嘴(產(chǎn)生高壓高速水射流)；在高壓水射流內(nèi)噴嘴外加一環(huán)形圓套形成外噴嘴，在環(huán)形圓套內(nèi)部附加低速水流以形成人工淹沒條件。為了有效降低高壓水射流穿透阻力，擴(kuò)大高壓水射流的有效靶距范圍，筆者利用注氣系統(tǒng)將氣泡注入到噴嘴外環(huán)圓套內(nèi)，在低壓水和氣同時(shí)注入的條件下，外噴嘴噴射低壓低速氣液兩相射流，從而使噴口與清洗目標(biāo)之間形成低密度氣液兩相環(huán)境，高壓高速水射流穿過氣液兩相環(huán)境到達(dá)水下清洗目標(biāo)。

圖1　結(jié)合注氣系統(tǒng)的高壓水射流噴嘴工作原理示意圖

2淹沒水射流清洗模擬實(shí)驗(yàn)裝置

在實(shí)驗(yàn)室條件下,采用淹沒水深直接模擬水下10 m甚至100 m或200 m的水深環(huán)境下的清洗過程是不實(shí)際的。1998年，蔣彧澄等[5]提出了通過改變背壓條件，即利用空壓機(jī)增加密閉水箱內(nèi)部壓力的方法，模擬高水深環(huán)境，建立了淹沒空化水射流切割模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其實(shí)驗(yàn)結(jié)論也表明了這種方法的可實(shí)施性。本文依據(jù)Vijay等[6]的人工淹沒條件下的水射流理論及上述國內(nèi)實(shí)際研究成果，提出了恒水面恒水壓控制的水下清洗模擬實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2所示。水下清洗模擬實(shí)驗(yàn)裝置的構(gòu)成如圖3所示[7]。從圖2和圖3可知，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置模型的工作原理分為兩方面：

1.截止閥　2.減壓閥　3.流量計(jì)　4.調(diào)速閥　5.空壓機(jī)6.止推閥　7.空氣蓄能罐　8.壓力表　9.溢流閥10.固定板　11.清洗實(shí)驗(yàn)板　12.縱向滑移板13.噴槍及噴嘴　14.支撐桿　15.橫向滑移板16.電機(jī)　17.進(jìn)水閥圖2　水下清洗模擬實(shí)驗(yàn)裝置模型示意圖

圖3　水下清洗模擬實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成圖

(1)在實(shí)驗(yàn)水池中通過增壓系統(tǒng)使水池壓力上升到實(shí)驗(yàn)所需水深壓力，在水池固定的氣液分界面處連接兩個(gè)溢流閥，并將溢流閥接口沒入水面以下3 cm處，以保證氣體無法從溢流閥接口處溢出。在清洗實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)噴槍向水池內(nèi)連續(xù)注入大量的水使水池液面高度上升，從而導(dǎo)致水池壓力增大時(shí)，為保證水池實(shí)驗(yàn)液面高度和實(shí)驗(yàn)壓力恒定，本文根據(jù)溢流閥在系統(tǒng)中所起的溢流穩(wěn)壓作用，將高于水池實(shí)驗(yàn)液面和實(shí)驗(yàn)壓力的水通過溢流閥迅速排出。

(2)將水射流噴嘴以及清洗實(shí)驗(yàn)板放入實(shí)驗(yàn)水池中，清洗實(shí)驗(yàn)板相對噴嘴前后移動(dòng)，以此來調(diào)整距離;同時(shí),噴嘴也可以通過控制裝置相對實(shí)驗(yàn)板的水平橫移來檢測噴嘴移動(dòng)條件下的沖蝕速度。水池外部的水射流發(fā)生裝置和注氣系統(tǒng)向噴嘴提供高壓水流和氣，并通過調(diào)速閥、減壓閥等來控制輸入量和輸出量。另外，水池外部的PIV測量系統(tǒng)采用激光全息攝影分析技術(shù)，即采用數(shù)碼相機(jī)、高速攝像機(jī)拍攝，PIV流體粒子分析技術(shù)等方法對氣泡大小和流場進(jìn)行測量。

在本實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)水池采用1.2 m×1.2 m×1 m的耐高壓鋼化玻璃材質(zhì)水箱;水射流發(fā)生裝置采用德國HD9/50Pe高壓水射流裝置,壓力在10～50 MPa之間可調(diào),最高流量為900 L/h，可調(diào);注氣系統(tǒng)由空壓機(jī)和調(diào)速閥等組成,其中空壓機(jī)采用薩普全無油空壓機(jī)W-400,工作壓力為0.8 MPa,排氣量為400 L/min;增壓系統(tǒng)由空壓機(jī)、止推閥、空氣蓄能罐組成,并與注氣系統(tǒng)采用同一臺(tái)空壓機(jī)，此處空氣蓄能罐的作用是增加裝置的氣體容量，有效控制壓力波動(dòng)。另外，由于水射流裝置的最大流量為15L/min，水池有2個(gè)溢流閥同時(shí)工作，故采用最大排水量為7.5 L/min的溢流閥[8]。

3淹沒環(huán)境下的噴嘴流場分析

本文對噴嘴及其流場區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，并通過對網(wǎng)格作總體加密和局部加密處理來進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析,結(jié)果表明,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從48萬增至200萬時(shí),隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，計(jì)算結(jié)果的變化很小。這說明網(wǎng)格數(shù)對計(jì)算結(jié)果的影響很小，可以認(rèn)為50萬的網(wǎng)格已達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)，因此選取48萬的網(wǎng)格作為計(jì)算網(wǎng)格。此外，由于本文研究的是淹沒水射流，一方面，噴嘴外環(huán)流本身綜合了氣液兩相流，該兩相流的速度與內(nèi)噴嘴高壓水射流的速度并不相等，兩者之間存在著動(dòng)量交換；另一方面，在射流邊界，射流工作介質(zhì)(氣水混合)與環(huán)境介質(zhì)(水)之間也由于速度不均等因素而存在著劇烈的動(dòng)量交換和紊流擴(kuò)散，以上所述兩個(gè)方面使得淹沒水射流成為氣液兩相混合介質(zhì)流?？紤]到射流的多相性，本文采用多相流模型中的Mixture模型。 Mixture模型是一種簡化的多相流模型，用于模擬各相有不同速度的多相流。

在仿真水下清洗的過程中,假設(shè)密閉實(shí)驗(yàn)水池中的環(huán)境壓力保持10 m水深的壓力不變,由于實(shí)驗(yàn)時(shí)清洗時(shí)間將控制在5 min之內(nèi)，可以忽略整個(gè)水池與外界的熱量交換，將整個(gè)水池視為絕熱系統(tǒng)[5]。此次計(jì)算時(shí)外環(huán)流中的氣液比分別取0、0.1、0.2、…、0.9共10個(gè)數(shù)值,通過分析計(jì)算結(jié)果來觀察10 m水深下,外環(huán)流中的氣液比對射流流場的影響。通過對計(jì)算出的10個(gè)速度云圖分析得出，當(dāng)噴嘴結(jié)構(gòu)和射流進(jìn)口速度一定時(shí)，不同的氣液比下噴嘴的速度云圖趨勢是一致的,僅具體數(shù)值不同，即射流具有相似性[8]。因此本文選取外環(huán)流中氣液比分別為0.2、0.5、0.8的速度云圖表述其規(guī)律，如圖4所示。

(a)氣液比為0.2　　(b)氣液比為0.5 (c)氣液比為0.8　(d)B處放大圖圖4　氣液比分別為0.2、0.5、0.8時(shí)的速度云圖

從圖4a~圖4c的速度云圖中可以看出,射流速度由大到小依次為:氣液比為0.8時(shí)、氣液比為0.5時(shí)、氣液比為0.2時(shí)。因此,外環(huán)流中氣液比越大,即注氣量越大,射流速度越大，射流距離越長。這是由于噴嘴與水下清洗對象之間噴出大量空泡，使噴嘴的淹沒環(huán)境成為氣液兩相狀態(tài)，這種狀態(tài)下水射流的阻力大大降低，從而提高了水下射流的靶距。

從圖4d中可以看出,在內(nèi)噴嘴伸縮段流體速度梯度大,速度迅速增加，變化明顯:在流體離開噴嘴之后,流體速度場出現(xiàn)一個(gè)等速流核區(qū)。由圖4a~圖4c可以看出,隨著外環(huán)流中氣液比的增加,該等速流核區(qū)軸向長度變長；在等速流核區(qū)末端，射流速度迅速減小并趨向于外環(huán)流的速度。

圖5為氣液比分別為0.2、0.5、0.8時(shí)計(jì)算域軸線上的速度分布。從圖5可以看出,在同一靶距處,氣液比越大，射流速度越大；當(dāng)靶距為100 mm、氣液比為0.8時(shí),射流速度均不小于100 m/s,且100 m/s的射流速度可以獲得較大的射程，因此氣液比越大,射程越長。這是因?yàn)橥猸h(huán)流具有低壓低密度的特質(zhì)，隨著氣液比的增大,被卷吸并與射流一起運(yùn)動(dòng)的流體減少,由周圍靜止流體與射流摻混而相應(yīng)產(chǎn)生的對射流的阻力也隨之減小，故射流可以獲得更大的速度。

圖5　氣液比分別為0.2、0.5、0.8時(shí)的速度分布

如圖5所示,在接近內(nèi)噴嘴出口處，軸線上的速度將達(dá)到300 m/s左右的較大值,隨著流動(dòng)過程的進(jìn)行,射流將以該速度從噴嘴出口噴射,且該速度將會(huì)在某段距離上基本保持不變,即具有最大噴射速度保持性。

4結(jié)論

(1)由于水的不可壓縮性和溢流閥的溢流穩(wěn)壓作用，溢流閥的接口位置決定了水面高度和水池壓力,使水池在實(shí)驗(yàn)過程中保持實(shí)驗(yàn)所需的水面高度和壓力。此外，在增壓系統(tǒng)中增加空氣蓄能罐可增加裝置的氣體容量，并有效控制壓力波動(dòng)。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，在水深為10 m的水下模擬環(huán)境中，當(dāng)噴嘴結(jié)構(gòu)和射流進(jìn)口速度一定時(shí)，噴嘴外環(huán)流中氣液比越大，射流速度越大，射程越長。

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(編輯王旻玥)

Research on High Pressure Water Jet Cleaning Technology with Underwater Gas Injection System

Jin ChengzhuMiao YaoPan Huachen

Hangzhou Dianzi University,Hangzhou,310018

Abstract:A high pressure water jet cleaning technology with underwater gas injection system was proposed herein. A testing device was designed based on this technology, and could inhibite internal pressure fluctuation effectively under the mass flow water jet experimental conditions by control of water surface elevations and pressures.The influences of gas-liquid ratio on flow field under 10 meters of water depth were analyzed in order to effectively expand the distance of underwater high pressure water jet . The analysis results show that the jet velocity can be increased by increasing gas-liquid ratio of external jet flow and provide theoretical basis for underwater cleaning.

Key words:high pressure water jet;underwater cleaning;underwater imitative experiment;gas-liquid ratio

作者簡介：金成柱,男,1974年生。杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)楹Ｑ髾C(jī)電裝備技術(shù)。發(fā)表論文10余篇?？妶?女,1992年生。杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。潘華辰,男,1956年生。杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。

中圖分類號(hào)：TH137；U672

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.06.002

基金項(xiàng)目：浙江省科技計(jì)劃公益技術(shù)研究工業(yè)項(xiàng)目(2013C31137)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41076055)

收稿日期：2015-05-15