旋转水射流冲击压强的实验分析

第16卷第1期2007年1月

长江流域资源与环境

Resources and Environment in the Yangtze Basin

Vol.16No.1

J an.2007

文章编号:100428227(2007)0120042206

旋转水射流冲击压强的实验分析

胡鹤鸣,陈永灿,李　玲,曾成杰

(清华大学水利水电工程系,北京100084)

摘　要:利用测压排摄像自动读数法,测量了水垫式旋转磨料射流喷嘴所产生旋转射流的冲击压强。该方法对测压排内水面标志物进行连续摄像,然后利用计算机程序对所摄图像自动读数,可以用较低的成本较好地实现非恒定压强的测量。实验结果表明,对于水垫式旋转磨料射流喷嘴产生的旋转射流,切向入流与轴向入流流量之比(流量比)及之和(总流量)是其冲击压强的控制性因素,前者控制其分布和大小,后者只对其大小有影响;各股切向入流的流量不均匀性对射流冲击压强时均值的影响很小;冲击压强脉动强度随着作用位置到射流中心距离的增大而减小。

关键词:旋转射流;冲击压强;压强测量;水垫式旋转磨料射流喷嘴

文献标识码:A

射流作用在固体壁面上的冲击压强问题在很多工程领域都会遇到,如大坝泄洪冲击水垫塘底板、水射流切割物料等。对于射流的冲击破坏作用,一般认为不仅与冲击压强的时均值有关,而且和冲击压强的脉动特性也有很大关系[1]。以往的研究主要集中在平面射流及普通圆射流上[2～4],旋转射流的冲击压强研究则很少见到。本文介绍了水垫式旋转磨料射流喷嘴产生的旋转射流冲击固体壁面的冲击压强时均值及其脉动特性的实验研究成果。

在压强的测量方法上,并未采用传统的测压管直接读数法或者价格昂贵的压力传感器法,而是采用了一种新的测压排摄像自动读数法:实验时对测压排进行实时摄像采样,然后进行后期图像处理自动读数,可以得到测点压强的随时变化过程。

1　实验系统

实验在清华大学水力学实验室内进行。整个实验系统可以分为以下4个部分:喷嘴、供水系统、流量测量及控制系统、压强测量及处理分析系统。

喷嘴模型如图1所示,称之为水垫式旋转磨料射流喷嘴[5],采用切向引入式加旋方式,主要为了解决当前旋转磨料射流喷嘴的两个问题:使用寿命短,射流中心区破岩能力低。喷嘴具有1个轴向入口和4个切向入口,切向入口流道按收缩曲线设计。实验喷嘴模型采用有机玻璃制作,放大为4倍于实际尺寸

。

图1　喷嘴模型

Fig.1　Nozzle Model

实验采用自循环系统供水,供水系统由上游水箱、下游水箱、连通软管、潜水泵、供水管等组成。上下游水箱连通作为储水箱,实验时下游水箱的水由潜水泵抽入供水管,流经流量控制阀门、文透里管流量计进入喷嘴,并由喷嘴射入下方的冲击腔,再由冲击腔侧壁的4根软管流入上游水箱。4根软管在进入水箱之前合四为一,由一围压控制阀门控制,此阀门是为了制造喷嘴的淹没条件,不同的开度对应不同的淹没深度,即不同的围压。

本文测量了水垫式旋转磨料射流喷嘴所产生的

收稿日期:2006209230;修回日期:2006212210

基金项目:国家自然科学基金项目(50379018)资助.

作者简介:胡鹤鸣(1980～　),男,河北省衡水人,博士研究生,主要从事流体力学研究.

旋转射流对冲击腔底板的冲击压强。冲击腔为内径145mm ,长度150mm 的圆筒,冲击腔底板上均匀

布置了17个测点,可以得到5个不同径向位置处的压强及其分布。各测点按其与底板中心距离分组,中心测点编号为1,距离30mm 者为22A 、22B 、22C 、22D ,距离42mm 者为32A 、32B 、32C 、32D ,距离60mm 者为42A 、42B 、42C 、42D ,距离85mm 者为52A 、52B 、52C 、52D 。

实验中,切向入流和轴向入流总流量为1.5～3.5L/s ,对应的喷嘴出口流速在2.1～5.0m/s 范围内,喷嘴出口雷诺数为6.35×104～1.48×105。

2　压强测量方法

以往的压强测量一般采用两种方法,测压管直接读数法和压力传感器测压法。前者可以直观监测到测点的水头变化,但只能读取一定时间内的最大值和最小值,用于分析平均值,不仅读数十分困难,而且只能测量水头恒定的情况;后者可以获得测点压强的脉动过程,可以进行统计分析,但传感器成本很高。

本文采用了测压排摄像自动读数法。事先在测压管中放入醒目的轻质漂浮物用于标志水面位置,并在背景板上按实际长度标明刻度,本实验使用了黑色的轻质塑料小球,直径约2mm ,在白色背景板上非常显眼,而且与水面位置变化的跟随性很好。实验时,每个工况对测压排进行一定时间的摄像采样;实验完毕后,取各工况得到的视频片断,利用自动读数分析程序逐帧图像进行处理,进行水面位置

的自动识别,可以得到各工况各测点的压强随时变化过程。

2.1　压力测量自动读数分析程序

压力测量自动读数分析程序采用Matlab 编制,依托其中的图像处理工具箱和高效的矩阵运算,实现了以下功能:将水面标志小球从背景中准确地分离出来,并通过其像素位置计算刻度位置;可对多工况、多测点、长时间测量结果进行批量化处理,令后期处理简单高效。

程序基于二值化特征提取方法,首先将R G B 图片转化为黑白二值图,在各测压管判读区内搜索水面标志小球(即特征亮点)的像素位置,并按照刻度尺寸和像素尺寸的比例还原得到水面刻度值。摄像采样时使用镜头的长焦段,测压排刻度位置在图像上的不均匀性可以忽略,于是水面的刻度值可以用下式计算:

h s =

h s 1-h s 2

h p 1-h p 2

h p +h s 2

其中,h s 1、h s 2为所取判读区上下缘的刻度位置,h p 1、h p 2为其上下缘的像素位置,h p 为水面标志物在所取判读区内的像素位置,由程序自动获得。图2给出了程序的算法流程,主要包括3个嵌套的循环,如图中虚线框所示。从用户使用方便出发,并非在第一工况循环完成后才对第二工况进行首帧图像预处理,而是在所有工况的首帧图像预处理完成后,将预处理信息保存在一个文件中,后台程序在逐工况处理过程中随时调用。由于标志小球色深存在差异,

程序中对各测压管判读区分别进行二

图2　测压排自动判读程序流程图

Fig.2　Flowchart of the Piezometer πs Data Processing Software

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