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喷嘴的几何形态对空化射流效果的影响

发布时间:2021-07-06 16:04 浏览:
       射流技术是最近20年发展起来的新技术,其应用日益广泛。目前,已在煤炭,石油,冶金,航空,建筑,交通,化工,机械,建材,市政工程,水利及轻工业等部门广泛应用。主要用来破碎,清洗和灭火等。高压水射流的参数包括压力和流量的选择,高压胶管的管径与长度,喷嘴的形状和尺寸的选择以及横移速度,靶距和射流冲击角等,合理选择这些参数以及优化它们的组合是提高水射流效率,降低能耗的重要手段之一。而高压水射流成套设备以喷嘴为中心,因为喷嘴是形成水射流工况的直接元件,也叫能量转换器,它所造成的结果直接影响到系统的各个部分。研究出性能良好,材料适宜又与主机匹配的喷嘴,将极大地提高射流效率。 
       喷嘴的形式可按喷孔的形状区分为圆柱形喷嘴,扇形喷嘴,异形喷嘴;从喷射水束状态来看,喷嘴主要分为针型喷嘴和扇型喷嘴。其中针型喷嘴因其流量系数较大,工程应用较为广泛。因此,本文选择针型喷嘴为研究对象。
       针型喷嘴的射流特性参数主要用射流流量、流量系数、输出功率、打击力及射流雾化分布状况等参数表征,在不同的场合 ,要求的侧重点不一样 ,而输出功率又是针型喷嘴的一个非常重要的参数。影响针型喷嘴输出功率的因素很多 ,主要有喷嘴孔径、长径比、入口角、出口角等。本文重点研究长径比对针型喷嘴输出功率的影响 ,并根据实验数据建立数学模型 ,利用优化理论对其进行优化 ,得出最佳长径比值。
       在VCO类的锥形喷嘴中,喷孔形状往往是不对称的。Schmidt等人对二维不对称的模型喷孔内的空化现象进行了观测。实验结果显示,与对称喷孔不同的是,不对称喷孔的出口处常发生流动分离,而且空化区也不对称,只占据喷孔的部分壁面。另外不对称喷孔内部发生部分水力回流(partial hydraulicflip)的概率很大。
       喷孔入口处的圆角往往影响到喷孔喉部附近回流区的形成。当圆角半径增加时,入口流动分离区的长度将降低,这在一定程度上压制了湍流的发展。众多的实验研究(如示Bergwerk,Laoonual,Nurick,Blessing,以及Benajes等人)显示,锐边入口的喷孔内很容易发生空化,而增加入口圆角的半径往往会延缓空化的形成(对应的初生空化数增加),并且形成的空化层有变薄的趋势。
       喷孔的长径比往往与喷孔内流的流动损失有着很大的关联。喷孔长径比对空化流的影响长期受到科技人员的关注。Lichtarowicz & Pearce的实验研究结果显示,当喷孔具有锐边入口且长径比小于10 时,喷孔长度的改变并不会造成初生空化数的明显变动。Laoonual等人以及Sato and Saito观测到,在锐边入口柴油锥形喷嘴中的不稳定空化过程及其影响射流雾化的机理研究的圆喷孔中,向超空化转捩的过程并不受到喷孔长度变化的影响。在实际的柴油喷嘴中,喷孔的长径比通常在5.0 左右。Ramamurthi & Nandakumar的实验结果显示,在空化流条件下5.0 左右的长径比往往会使得空泡的溃灭恰好发生在喷孔出口处,这有利于提高射流的不稳定性。喷孔长径比的增加一般会抑制流动的不稳定性。 
       锥形喷孔对空化流的影响通常是与K系数关联起来的。K系数的定义为,K=(Dinlet-Doutlet)/L。K>0 表示喷孔沿流动方向是收缩的。Benajes等人以及Winklhofer等人的实验研究发现,喷孔的收缩程度较大时,喷孔入口附近流动分离区的长度通常会变短,这抑制了湍流边界层的发展,是不利于空化初生的,同时还延缓了向超空化的转捩过程。Blessing等人在他们的实验中观测到,与直喷孔相比,K<0 的喷孔有利于空化的形成和发展,喷孔中出现更多的空泡。而K>0 的喷孔明显地抑制了空化过程。
       喷孔壁面的粗糙度往往会造成壁面附近流动具备高的剪切应力,进而影响到壁面附近的速度场和压力场。Winklhofer等人以及Lecoffre认为喷孔壁面粗糙度的增加在一定程度上有利于空化的形成。

 
理论计算图



实验原理与方法
 
       在实验准备过程中,应特别注意高压泵和高压胶管的选取。高压泵的额定容量应能满足喷嘴的流量要求,即泵的额定流量能够使喷嘴达到其最大流速。对于一个给定直径的喷嘴,其流量与压力成正比,也就是更高的压力对应更高的流量。而往复式高压泵的特点是 正排量,即其流量不随压力变化 ,基本趋于常量。 泵和喷嘴的这种性能上的不一致性,就要求两者之间有一个适量的匹配。高压胶管的选取应满足实验过程中密封的要求,不能渗漏,卸压。另外为准确测量流量等参数,喷嘴与其连接处应采用聚四氟密封带密封,以防渗 漏液体,引起测量误差。
        针型喷嘴的体积流量表示单位时间内流经喷嘴液体体积的大小,它是反映喷嘴特性的最基本,最重要的一个参数。这里,我们采用简便实用的测量流量的方法 ——容积法,即测量单位时间内流入某容器中的流体的体积来确定各个喷嘴的体积流量。实验中,用量筒来测量流体的体积,用秒表来记录时间,压力从标准压力表读出。 
实验数据图


实验用喷嘴结构


 
从实验数据可以看出,长径比对喷嘴的输出功率有很大的影响。长径比的大小决定了喷嘴属薄壁孔还是细长孔,使经过喷嘴的水具有不同的流动状态,直接影响其流动阻力和输出功率。长径比过小,喷嘴变为薄壁孔,喷出的水流容易发散,使输出功率降低,反之,长径比过大,使之变为细长孔,加大了喷孔的阻力,同样使输出功率降低





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