高壓水射流清洗參數(shù)實驗研究

王麗萍， 蔡曉君， 竇艷濤， 巢鑫迪， 王妍陶

(1. 北京石油化工學院 機械工程學院， 北京 102617； 2. 北京化工大學 機電工程學院， 北京 100029)

高壓水射流清洗參數(shù)實驗研究

王麗萍1，2， 蔡曉君1， 竇艷濤1， 巢鑫迪1， 王妍陶1

(1. 北京石油化工學院 機械工程學院， 北京 102617； 2. 北京化工大學 機電工程學院， 北京 100029)

研發(fā)了一種高壓水射流實驗臺，測試了不同靶距和入射角對射流打擊力的影響。結果表明，射流打擊力隨靶距的增加呈先增后減，160 mm為最佳靶距，打擊力最大，具有較好的污垢清洗效率。由于非淹沒射流結構特性，靶距過大和過小都不處于有效射流段，使打擊力減小，從而達不到去污目的。同時，通過對最佳靶距及最大打擊力進行理論驗證，表明該實驗臺測試數(shù)據(jù)合理可靠。通過調節(jié)噴嘴安裝角度來改變入射角，得出小的入射角可以獲得較大的射流打擊力，角度為0°時，即為垂直打靶，打擊力最大。該實驗臺不僅為今后高壓水射流現(xiàn)場清洗工作提供理論與實驗支撐，還可以確定不同直徑噴嘴在各種直徑管道下高壓水清洗時的清洗參數(shù)，以及適用于高壓水射流破巖等其他方向的參數(shù)研究。

清洗參數(shù)； 高壓水射流實驗臺； 最佳靶距； 最佳打擊力

0 引 言

高壓水射流技術起源于“水滴石穿”現(xiàn)象，是一種將能量聚集于噴嘴處使流體以射流的運動形式出來的技術。該技術是從防止水滴→水束→水射流的破壞作用的研究理念，到該破壞能力的反利用研究的轉變而誕生的。隨著人們對污垢問題的認識及研究力度的增加，應用于清洗除垢的高壓水射流技術(即高壓水射流清洗技術)在多個行業(yè)迅速發(fā)展起來[1]。

迄今為止，高壓水射流清洗技術已經廣泛應用到汽車、化工換熱器以及儲罐等的清洗作業(yè)中，具有低成本、節(jié)能環(huán)保、高效率等優(yōu)點，被世界各國所青睞[2]。據(jù)統(tǒng)計，高壓水射流工藝清洗量已達總清洗量的80%[3]。隨著人們對高壓水射流機理及相應設備的深入研究和研發(fā)，得出噴頭是實現(xiàn)高壓水射流清洗技術的關鍵執(zhí)行元件，其所產生的水射流打擊力是影響其清洗效果的重要因素[4]。張?zhí)m芳等[5]根據(jù)污垢特點，結合高壓水射流破碎機理，給出了高壓水射流清洗污垢的部分技術參數(shù)。許多學者[6-9]通過研究噴嘴結構參數(shù)在高壓水射流清洗工作中對清洗效率的影響力設計出了諸如扇形、錐形等多種噴嘴結構。但上述工作主要集中在設備本身結構和流體特性的研究，而設備在處于高壓水射流清洗工作時影響清洗質量的清洗參數(shù)方面的實驗性研究較少。

本研究自主研發(fā)了一種高壓水射流實驗臺，實驗研究射流清洗參數(shù)對水射流打擊力的具體影響，從而為高壓射流清洗工作提供參考依據(jù)。

1 高壓水射流清洗原理及參數(shù)

1.1 清洗原理

高壓水射流清洗根據(jù)不同的清洗對象和要求，采用射流形式和執(zhí)行機構不同，但其原理可總結為：① 高壓水的產生，即由高壓發(fā)生裝置打出具有一定壓強的高壓水，通過與之配套使用的水管到達噴嘴；② 水流從噴嘴射出，這可看成是水流在圓管流動過程中截面突然變大的情況，從而使高壓低流速的水轉換為低壓高流速的射流；③ 高流速的射流正向或切向沖擊被清洗面，并產生沖擊力和剪切力，這些力則會對污垢產生沖擊、動壓力、磨削等作用，使垢層被沖蝕、滲透、剪切、破碎，最終從清洗面上剝離下來[10]。

水射流對清洗面(靶面)的打擊力是影響清洗效果的關鍵因素，而高壓水流從噴嘴射出來打到靶面上包含了2個變量：入射角及靶距，是打擊力的關鍵定量參數(shù)[11-12]。

1.2 入射角

污垢對壁面有著較強的附著力，故射流清洗時，射流對壁面的作用力必須達到一定的臨界值[13]才能滿足垢層的去除要求，從而達到清洗目的。水射流打擊力可分解為水平和垂直分量。其中，水平分量對靶面污垢起切削作用，即為剪切力，決定著前行速度的快慢；垂直分量則為沖擊力，對污垢起滲透、破碎作用，若垂直分量低于臨界值，射流則只掠過垢層表面而不能起到清洗。射流打擊力在不同入射角的分解下得到的沖擊力不同，因此，為提高清洗效率，不僅需要較大的射流打擊力，還需要該力下能夠獲得較大的沖擊力。

1.3 靶 距

清洗作業(yè)所需要的水射流通常為非淹沒射流，其結構如圖1所示[14]。水射流噴嘴對流體的約束可以使得水射流速度迅速增加，如進口壓力55 MPa時，射流速度就能增加至超音速；而當射流進入空氣之后，由于紊流引起了射流功率損失，使得紊流區(qū)射流速度隨著射流距離的增加而降低，最終導致沒有足夠的能量有效清洗靶件。因此，高壓水射流清洗主要運用核心段水流清洗污垢。由此表明：從射流結構特性而言，實驗中在進行高壓水射流清洗時應當考慮靶距的影響。

1-原始段, 2-基本段, 3-發(fā)散段

圖1 非淹沒水射流結構圖

同時,就理論研究發(fā)現(xiàn)而言，射流作用于物體表面的實際打擊力不僅取決于射流基本參數(shù)，同時也與噴嘴與物體間的距離有關，稱之為靶距。連續(xù)高壓水射流沖擊被清洗物體過程中，由于噴嘴出口處射流較緊密，沖擊后沿物體表面流出，打擊力大小有限；當靶距增大時，射流擴散，沖擊物體后引起大量液體反濺，會增大對物體的打擊力；但隨著靶距的繼續(xù)增大，射流速度將會降低，打擊力也就隨之減小。

因此，研究射流打擊力與靶距的變化關系，對于研究射流性能參數(shù)尤為重要。通常把射流對物體表面的打擊力最大時的靶距稱為最佳靶距l(xiāng)opt，了解最佳靶距與射流基本參數(shù)間的關系，有利于確定射流作業(yè)的最佳工況。經過試驗研究，射流打擊力、靶距與射流基本參數(shù)間的關系可由下列經驗關系式表示[15]：

(1)

(2)

式中:lopt為最佳靶距，mm；Fmax為最大射流打擊力，N；p為射流壓力，MPa；d為噴嘴出口直徑，mm。Fmax一般為(0.6～0.85)F，射流壓力大、噴嘴直徑小時，取較大值；反之，取較小值。

2 高壓水射流清洗實驗

2.1 射流清洗實驗的裝置及原理

自主研發(fā)的一種測量小直徑高壓水射流參數(shù)的實驗裝置如圖2所示，包括高壓軟管、壓力表、噴頭、靶板和壓力傳感器以及數(shù)據(jù)顯示儀等。實驗選用YLC280型的高壓水泵，額定工作壓力8 MPa，實驗泵壓5 MPa，流量9.8 L/min；與泵連接的高壓軟管其能夠承受的工作壓力可達60 MPa；裝置上的壓力表型號為YTN-60，其值為噴嘴的出口壓力；噴嘴直徑為1 mm，可通過調節(jié)噴嘴上的壓力閥來控制射流壓力；整個實驗臺以工字梁為底座，并設有2個平行導軌，導軌上安裝著帶有噴頭的滑塊，該滑塊與滾珠絲桿配合，通過絲杠的轉動達到調節(jié)靶距(噴頭到靶板的距離)；靶板所在的工作臺安裝在裝置右側，通過蝸輪蝸桿轉動原理使工作臺轉動，繼而使靶板轉動一定角度來反映射流角度，角度的大小由其上黏貼的量角器讀取，且靶板起始位置與量角器90°刻線垂直；同時在靶板上裝有測力傳感器，用于測量水射流打靶壓力。在實驗過程中需要注意:① 噴頭必須被夾緊以防止其竄動而造成測力誤差;② 噴頭到傳感器的有效距離最大為300 mm。

圖2 實驗臺實物圖

整個實驗裝置的工作情況即可簡述為，泵通過軟管將高壓水送到噴頭處，初始時，噴頭保持水平布置，通過滾珠絲桿的轉動來實現(xiàn)不同靶距下的水射流測量；調整靶板工作臺的角度，研究不同入射角和靶距對水射流的影響。

2.2 實驗參數(shù)的確定

由上述實驗原理可知，在實驗過程中，靶距、泵壓力、噴嘴安裝角度(入射角)、噴嘴直徑等是確定射流打擊力與射流清洗參數(shù)關系的重要數(shù)據(jù)，其中噴嘴安裝角度由靶板的轉動角度來表示，角度為0°時，噴嘴垂直打靶。因此確定如下實驗參數(shù)進行射流清洗參數(shù)實驗測試:靶距(直尺),mm;射流壓力(壓力閥),MPa;射流打擊力(壓力傳感器),N;安裝角度(量角器);噴嘴直徑(直尺),mm。

2.3 實驗臺測試的主要步驟及數(shù)據(jù)

(1) 實驗開始階段，壓力顯示器上數(shù)值調為零。

(2) 開始實驗，打開噴頭閥門，泵上的壓力閥顯示為4 MPa，噴頭處的壓力閥的數(shù)值為3 MPa，過程中存在壓力損失。

(3) 調試不同靶距，距離范圍在100～200 mm，間隔10 mm。

(4) 因為壓力傳感器接觸面積較小，所以調整角度設為0°～30°，間隔為10°。

圖3 實驗臺所測數(shù)據(jù)

3 實驗結果分析

圖4是根據(jù)圖3得出不同角度和靶距與射流打擊力的曲線關系圖。由圖可見，噴嘴直徑、流量壓力以及安裝角度相同情況下，射流打擊力先隨著靶距的增加而增加，當靶距為160mm時，打擊力達到峰值(即最佳打擊力)，隨后靶距的增加反而使打擊力減小。由此說明，打擊力并不與靶距呈正比或反比的關系，而是先增后減的關系。這就表明打擊力勢必存在一個最大值，也就必然存在一個與之對應的靶距，即為最佳靶距。與此同時，比較相同靶距、不同安裝角所對應的4個點，可以發(fā)現(xiàn)，靶距一定時，安裝角增大，打擊力減小，清洗效果減弱。

圖4 不同角度和靶距與打擊力的關系

4 結 論

本研究利用自主研制的高壓水射流清洗實驗臺，實驗模擬了高壓水打靶清洗過程，通過對實驗參數(shù)的控制與調整得出以下結論：

(1) 射流打擊力隨靶距增加而呈先增后減，這與非淹沒射流結構特性有關，即當靶距增大時，射流擴散，沖擊物體后引起大量液體反濺，會增大對物體的打擊力；但隨靶距繼續(xù)增大，射流速度將會降低，打擊力也就不斷減少。

(2) 靶距一定下，射流打擊力與入射角成反比，當入射角為0°(即垂直打靶)時，射流打擊力最大。但是在進行自進式二維旋轉噴頭設計時，入射角不僅影響清洗效率，更是關系著裝置的自進力的大小，因此需考慮在最佳靶距附近確定合適射流角度，保證了射流參數(shù)的合理性。

總的來說，自主研制的實驗裝置既可以驗證水射流參數(shù)計算的正確性，還能實驗模擬射流清洗作業(yè)、確定清洗參數(shù)，為自進式清洗裝置及旋轉噴頭的設計提供合理的理論計算和有效的實驗支撐。

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Experimental Research of High Pressure Water Jet Cleaning Parameters

WANG Liping1,2, CAI Xiaojun1, DOU Yantao1， CHAO Xindi1， WANG Yantao1

(1. Colledge of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China;2. Colledge of Mechanical and Electrical Engineering , Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

A high pressure water jet test bench was developed in this paper, and the effects of target distance and angle to the jet hitting force were studied. The results show that, the jet force increases first and then decreases with the increase of the distance. The optimal target distance is 160mm with the largest force which removes dirt mostly. Due to the structural characteristics of non-submerged water jet, the force decreases when the target distance is too large or too small, and makes water jet less effective. The theoretical verification shows that the test bench is reasonable and reliable. By adjusting the angle, it draws a conclusion that a small angle can produce larger jet force. When the angle is down to 0°, calling the vertical shooting, the force reaches the maximum. This test bench not only provides theoretical and experimental supports for the high pressure water jet cleaning work at the scene in the future, but also determines the parameters of nozzles in difference sizes cleaning pipes, and the parameters on other fields of high pressure water jet, such as rock breaking.

cleaning parameters; experiment platform of high pressure water jet; optimal target distance; best force

2016-11-03

北京自然科學基金項目(3132010)

王麗萍(1990-)，女，四川渠縣人，碩士生，主要從事化工設備方面的研究。

Tel.：13120376422； E-mail：wangliping0321@126.com

蔡曉君(1963-)，女，上海人，教授，碩士生導師，主要從事機械設計的教學與科研工作。

Tel.：13611057250；E-mail：caixiaojun@bipt.edu.cn

TE 988

A

1006-7167(2017)08-0048-04