縮放型噴嘴空化射流空泡云演化規(guī)律的試驗研究

李偉，張文全，施衛(wèi)東，楊勇飛，曹衛(wèi)東

(1.江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.南通大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

空化射流作為一種新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于金屬材料強化、礦山開采、化工清洗等多個領(lǐng)域.該技術(shù)是將攜帶巨大能量的空化水射流以某種特定方式高速噴射到金屬材料表面，利用空泡潰滅產(chǎn)生的能量使金屬材料表面發(fā)生一定程度的塑性變形，從而改變金屬材料的晶體組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力，進(jìn)而增強材料的抗疲勞強度.

噴嘴是形成空化射流的關(guān)鍵部件，通過噴嘴將靜壓能轉(zhuǎn)換成動壓能.研究噴嘴形成的射流空化特性及流場內(nèi)空泡分布規(guī)律，對于提高射流流場特性和空化效果具有重要意義.目前，國內(nèi)外研究者通過試驗和數(shù)值計算，對空化射流噴嘴的空化性能和射流特性開展了大量研究.在噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)研究方面，王東等[1]通過CFD對磨料射流在高壓條件下的流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬和分析.QUINN等[2]通過數(shù)值計算對具有不同流線形狀的噴嘴流場各參數(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)噴嘴流道形狀不同，水射流速度的衰減趨勢不同.葛兆龍等[3]利用Fluent分析了噴嘴的長徑比對出口沖蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)長徑比為1.8時，出口射流速度和動能最大.武飛等[4]分析了超高壓角形噴嘴流場在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴擴散角的增大，噴嘴喉部出口處的射流速度逐漸減??；隨著擴散段長度的增加，射流速度的衰減逐漸變緩；隨著喉部圓柱段長度的增加，流體沿軸心線的射流速度先增大后減小.

關(guān)于射流空化性能，ALEHOSSEIN等[5]和QUINN等[6]對空化射流流場中空泡初生至潰滅的整個變化過程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得空泡分布規(guī)律及其對空化射流形成的影響.SOYAMA等[7]分別對不同結(jié)構(gòu)噴嘴的射流流場進(jìn)行了可視化和脈沖壓力測量，發(fā)現(xiàn)流場內(nèi)空泡的運動受噴嘴結(jié)構(gòu)的影響較大，角形噴嘴形成的脈沖壓力比其他噴嘴大，影響空泡的發(fā)展和演化.孫鵬飛等[8]對新型赫姆霍茲噴嘴展開數(shù)值仿真，分析不同變量對空化射流效果的影響.李根生等[9]對自振空化噴嘴的破巖性能進(jìn)行試驗研究，發(fā)現(xiàn)在相同的泵壓條件下，當(dāng)自振空化噴嘴射流破巖效果是普通錐形噴嘴的2～4倍且噴距為噴嘴出口直徑的8～14倍時，破巖沖蝕效果最優(yōu).CHAHINE等[10]研究空化射流破巖過程的流場特性，發(fā)現(xiàn)空泡云脫落呈周期性變化，射流有自振現(xiàn)象，空化數(shù)對空泡云形狀和脫落頻率有重要影響.HUTLI等[11]分析空化射流空泡云的形成機理及其流動特點.WRIGHT等[12]通過試驗揭示了射流在淹沒狀態(tài)下的空化特性，并著重探討了空泡云形態(tài)，以及空泡脫落頻率與雷諾數(shù)的關(guān)系.

然而，目前有關(guān)縮放型噴嘴的研究主要是通過數(shù)值計算探討噴嘴參數(shù)對噴嘴內(nèi)流場的影響，而有關(guān)縮放型空化射流噴嘴流場空化特性的文獻(xiàn)相對較少，對于空泡云動態(tài)變化規(guī)律的認(rèn)識不深.文中基于高速攝影技術(shù)對縮放型噴嘴形成的空化射流空泡云演化規(guī)律進(jìn)行拍攝，捕捉空泡云的初生、發(fā)展及潰滅的演化過程，分析空化射流空泡云在不同進(jìn)口壓力下的分布規(guī)律和變化趨勢，為噴嘴參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計和空化射流的應(yīng)用提供理論參考.

1 試驗對象和方法

1.1 試驗對象

文中研究的模型為縮放型空化射流噴嘴(在文獻(xiàn)[7]基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計后得到)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.具體結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：收縮角α=13.5°，收縮段長度L1=5.0 mm，擴散段長度L3=4.0 mm，擴散角θ=40°，喉管圓柱段長度L2=4.0 mm，喉管直徑d=1.0 mm.不同參數(shù)組合對于噴嘴空化射流流場具有重要影響，決定著空化性能和流場特性，其中喉管直徑d決定著其他參數(shù)的選擇，因此在噴嘴設(shè)計中須首先選定.

圖1 噴嘴物理模型Fig.1 Nozzle physical model

1.2 試驗裝置

高壓空化射流試驗臺主體結(jié)構(gòu)為儲水箱和試驗水箱2個模塊，分別由儲水箱、試驗水箱、噴嘴、泄壓閥、柱塞泵、變頻器、電動機、壓力表等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示.儲水箱位于試驗水箱下方，便于與試驗水箱之間實現(xiàn)回路，當(dāng)試驗水箱中的水漫過設(shè)置的水堰時，便通過溢流孔自動循環(huán)流入儲水箱.為了避免在拍攝過程中由于水箱與水折射率不同引起的拍攝誤差，試驗水箱采用聚甲基丙烯酸甲酯制造；試驗壓力由AR公司生產(chǎn)的SHP15.50 N增壓柱塞泵提供，最高壓力50 MPa，流量15 L/min；不同進(jìn)口壓力下的射流流場通過西門子公司生產(chǎn)的SINAMICS G120變頻器改變柱塞泵轉(zhuǎn)速獲得；管路選用內(nèi)徑8 mm的3層鋼絲編織的高壓軟管，可承受的最高壓力為55 MPa.壓力表采用上海煜美儀器儀表有限公司生產(chǎn)的測量范圍為0～60 MPa的YTN型防震壓力表，精度達(dá)到1.6.同時，為了保證柱塞泵的安全運行，在進(jìn)口安裝Y形過濾器，清除水中可能存在的雜質(zhì).噴嘴固定于3自由度的空間滑臺上，確保試驗中噴嘴更換后處于相同位置；滑臺重復(fù)定位精度為0.01～0.02 mm.

圖2 試驗裝置圖Fig.2 Experimental installation diagram

1.3 空化射流試驗

基于高速攝影拍攝空化射流流場的空泡分布，捕捉空泡初生、發(fā)展、潰滅的變化過程以及空化射流空泡云的變化規(guī)律，揭示淹沒射流流場內(nèi)空泡云的形成機理.采用OLYMPUS公司生產(chǎn)的高速攝影機進(jìn)行可視化拍攝.為了保證拍攝精度，高速攝影機與試驗水箱保持相同水平高度，且垂直于水箱的同時垂直于噴嘴軸心平面.試驗中拍攝頻率設(shè)為20 000 f/s，時間間隔0.05 ms，使用宏光燈正面照射補光.由于空泡反光性較強，因此拍攝照片中空泡云顯示為白色.本試驗采用自來水作為流體介質(zhì)，水溫約25 ℃.圖3為空化射流可視化試驗系統(tǒng).為了定量分析空泡的發(fā)展過程，在拍攝中對照片進(jìn)行尺寸標(biāo)定.

為確保試驗的安全穩(wěn)定性，需對試驗管路系統(tǒng)進(jìn)行至少30 min的保壓測試.同時，預(yù)先對噴嘴進(jìn)口壓力與柱塞泵轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行調(diào)試，以滿足噴嘴入口壓力的要求；待噴嘴出口射流穩(wěn)定后，通過控制面板啟動高速攝影機對淹沒空化射流流場進(jìn)行可視化拍攝.試驗結(jié)束后，關(guān)閉電源停機并保存數(shù)據(jù)，待管路系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過變頻器調(diào)節(jié)噴嘴進(jìn)口壓力重復(fù)上述操作步驟，開展其他工況試驗.

圖3 空化射流可視化試驗系統(tǒng)Fig.3 Visualization experiment system of cavitation jet

2 結(jié)果與分析

2.1 單個周期內(nèi)空化射流空泡云的變化規(guī)律

進(jìn)口壓力pi=16 MPa下淹沒空化射流的動態(tài)變化規(guī)律如圖4所示，圖中t為時間，ms；Y為射流形成的空泡距離，mm.相鄰2幅照片拍攝的時間間隔為0.05 ms，總時長2.50 ms.從圖4中可以看到，淹沒空化射流產(chǎn)生的空泡云呈周期性變化，即在1個周期內(nèi)空泡云要經(jīng)歷空化初生、發(fā)展、脫落、潰滅4個階段[12-13].在t=0 ms時空泡云初生，主要分布在噴嘴出口附近.由于距離噴嘴出口較近射流剪切層內(nèi)旋渦發(fā)展不充分，此時空泡云的邊界比較光滑且呈對稱分布，空泡云密度較?。欢谏淞飨掠?，從上一周期脫落產(chǎn)生的空泡云已進(jìn)入潰滅階段，空泡云面積和長度隨著時間的推移不斷減小，最終變成氣核完全潰滅消失.在0～0.40 ms內(nèi)，空泡云處于發(fā)展階段，不斷向下游移動發(fā)展.t=0.45 ms時，空泡云開始脫落，其面積、長度、寬度和空泡密度逐漸減小，此時由于射流兩側(cè)剪切層內(nèi)旋渦發(fā)展的不平衡以及湍流引起的壓力脈動的影響，空泡云分布的不對稱性逐漸增加；在潰滅階段后期，空化空泡從空泡云分離脫落，分裂成若干個較小的離散空泡，t=1.05 ms時空化空泡已完全潰滅消失，因此0～1.05 ms的圖像中包含1個完整的變化周期.從圖5中可以看到，同一圖像中存在不同階段的空化空泡：當(dāng)空泡云產(chǎn)生脫落時，在噴嘴出口附近的空泡云處于發(fā)展階段，而在噴嘴下游的空泡云處于潰滅階段，因而空化射流產(chǎn)生的空泡云呈連續(xù)性分布[12,14-15].

通過上述分析，當(dāng)空泡云產(chǎn)生脫落并處于潰滅階段初期時，所形成空泡云的面積、寬度和空泡密度均達(dá)到最大.在試驗中，還發(fā)現(xiàn)空化水射流噴丸能力主要與射流空化能力有關(guān)[16]，因此，在利用空化射流進(jìn)行金屬表面強化等工程應(yīng)用時，應(yīng)確定合適的靶距以使空泡云充分發(fā)展.

圖4 空化射流不同時刻的變化規(guī)律Fig.4 Variation law of cavitation jet at different times

2.2 不同進(jìn)口壓力對空化射流的影響

圖5為空泡云動態(tài)變化情況.通過觀察發(fā)現(xiàn)，在不同壓力下形成的空泡云均呈周期性變化[10,12,17]，但空泡云的面積、寬度和空泡密度呈不同變化趨勢.隨著進(jìn)口壓力的增大，空化射流形成的空泡云面積、寬度和空泡密度(空泡數(shù))總體均呈增大趨勢[15,18].這是因為噴嘴產(chǎn)生的高速射流與靜止淹沒流體介質(zhì)之間存在較大的速度梯度，由此在邊界層內(nèi)形成剪切效應(yīng)而產(chǎn)生旋渦；旋渦渦核由于角速度較大引起局部壓力降低而產(chǎn)生旋渦空化，因此隨著進(jìn)口壓力增大，剪切作用增強，形成的旋渦空化現(xiàn)象更為嚴(yán)重[11,19].同時，當(dāng)進(jìn)口壓力較小時，空泡云的邊界分布相對光滑；而當(dāng)進(jìn)口壓力較大時，空化射流形成的空泡云邊界與靜止流體介質(zhì)之間的相互摻雜混合加劇.這是因為當(dāng)進(jìn)口壓力較大時，射流邊界層內(nèi)的剪切作用較強，形成了較多發(fā)展不平衡的旋渦且存在劇烈的動量交換，加之邊界層內(nèi)壓力脈動和湍動能較高，加劇了部分流體的不規(guī)則運動[11,20].觀察不同進(jìn)口壓力下空泡云從脫落到完全潰滅的變化過程，發(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)口壓力的增大，空泡云脫落的周期不斷縮短：當(dāng)進(jìn)口壓力pi=8，12，16 MPa時，脫落周期分別約為0.8，0.6，0.5 ms；對應(yīng)的空泡云脫落潰滅頻率分別約為1.25，1.67，2.00 kHz，這與FUJISAWA等[14]得到的不同空化數(shù)下空泡云脫落頻率的變化規(guī)律相似，即空泡云脫落頻率隨進(jìn)口壓力的增大而增大.研究還發(fā)現(xiàn)，空泡云脫落頻率決定空化作用頻率，直接影響空化作用效果[21].

圖6為不同進(jìn)口壓力下，處于不同階段空泡云的軸向長度變化情況.從圖6a中可以看出，隨著進(jìn)口壓力的增大，高速射流攜帶的動量增加，射流沖擊作用更強，使空泡云的運動距離更遠(yuǎn)，其軸向長度不斷增加[20].這與圖5中隨著進(jìn)口壓力增大空化射流空泡云的面積、密度均增大的變化趨勢一致.通過對比分析發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)口壓力的增大，空泡云軸向長度增加的速率增大，如圖5，6a所示.由于不同的進(jìn)口壓力導(dǎo)致空泡云軸向長度發(fā)生變化，因此不同進(jìn)口壓力下空化射流的最佳靶距不一致，而噴嘴直徑是噴嘴設(shè)計的重要參數(shù)，故建立不同進(jìn)口壓力下空化射流最佳靶距與喉管直徑(d=1.0 mm)的量綱一化關(guān)系對工程應(yīng)用有重要作用.由上述分析結(jié)合圖5可知，當(dāng)進(jìn)口壓力pi=8 MPa時，在Y=30 mm附近空泡云的面積和密度達(dá)到最大；而pi=12 MPa時，在Y=40 mm附近空泡云的面積和密度達(dá)到最大；pi=16 MPa時，在Y=50 mm附近達(dá)到最佳靶距.因此，不同進(jìn)口壓力下空化射流的最佳靶距與噴嘴直徑的量綱一化關(guān)系如下：pi=8 MPa時Y/d=30；pi=12 MPa時Y/d=40；pi=16 MPa時Y/d=50.從圖6b中可以看到，空泡云在發(fā)展階段呈周期性變化[12,15]：射流從噴嘴高速流出后產(chǎn)生空化、形成空泡云；隨著時間的推移，空泡云不斷發(fā)展，并沿射流做軸向運動；當(dāng)運動到一定距離后在噴嘴附近產(chǎn)生脫落進(jìn)入下一周期；在噴嘴附近，空泡重新產(chǎn)生、發(fā)展，形成新的空泡云.由此可知，在空泡云的發(fā)展階段，其軸向長度呈類似正弦函數(shù)周期性變化規(guī)律.

圖5 空泡云動態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of cavitation clouds

圖6 不同進(jìn)口壓力下空泡云軸向長度變化Fig.6 Axial length variation of cavitation clouds under different inlet pressures

3 結(jié) 論

基于高速攝影拍攝淹沒空化射流試驗，文中對縮放型空化射流噴嘴在不同進(jìn)口壓力下形成的空泡云進(jìn)行分析，得到空化射流空泡云隨時間的變化規(guī)律，有助于進(jìn)一步優(yōu)化噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并為實際應(yīng)用提供參考.

1) 淹沒空化射流產(chǎn)生的空泡云存在明顯的周期性變化特征，即在1個周期內(nèi)空泡云要經(jīng)歷空化初生、發(fā)展、脫落、潰滅4個階段.在不同的階段內(nèi)，空泡云形態(tài)呈現(xiàn)出不同的特征；而在每個周期內(nèi)，空泡云均表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律.每個周期內(nèi)空泡云產(chǎn)生脫落、處于潰滅階段初期時，其面積、寬度和空泡密度均達(dá)到最大，此時空化射流的強化效果和破巖效果達(dá)到最佳，這與許多研究者的研究結(jié)果不謀而合.

2) 隨著進(jìn)口壓力的增大，空化射流所產(chǎn)生空泡云的面積、長度和空泡密度呈增大趨勢，空泡云軸向長度增加的速率加快，空化射流形成的空泡云不規(guī)則運動加劇.不同進(jìn)口壓力下，空化射流的最佳靶距相對噴嘴直徑的量綱一化關(guān)系如下：對應(yīng)于進(jìn)口壓力8，12，16 MPa的最佳靶距分別約30倍、40倍、50倍的噴嘴直徑.同時，隨著進(jìn)口壓力的增大，處于發(fā)展階段的空泡云軸向長度呈現(xiàn)出類似正弦函數(shù)的周期性變化規(guī)律；空泡云的脫落頻率增大，導(dǎo)致空化射流強化、破巖的作用頻率加快.