自激振动空化射流打击力实验
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＊ 口腔终端的阻抗等于谐 振腔所形成的容抗 , Z Z 2 = c。
1. 2 自激振动空化射流的作用机理 在稳定连续射流 的垂直冲击下 , 作用 在靶物表 面上的压 力为滞止压力 P : s P s=
2 ρ v 2
( 1)
3 式中 : ρ 为液体密度 , k g /m ; v 为水射流的速度 , m/s
摘 要 :设计了不同尺寸组合的风琴管自激振动空化 喷嘴 , 测 量了风琴 管自激 振动空 化喷嘴 喷射时 射流 对射靶打击力 , 通过对射流打击力的比较 分析 , 研究了自激 振动空化射 流的力 学特性 , 发现 了自激 振动空 化射 流对射靶打击力频域图中存在与自激振动空化喷嘴振动 频域图中相 应的调制 频率 , 即自激 振动空 化喷嘴 谐振 腔内自激振动的谐振频率 , 实测值与理论 汁算值相符 , 并研究了风琴管自激振动空化喷嘴结构 参数对喷嘴 产生 自激振动空化效果的影响规律 , 得出喷嘴 的最佳结构参数 , 为自激振动空化喷嘴的优化设计提 供了参考 。 关键词 :实验研究 ; 打击力 ; 自激振动 ; 空化 ; 喷嘴 中图分类号 :T P 69 文献标 识码 :A
。
1. 入口腔 2. 过渡面 3. 谐振腔 4. 谐振腔反馈面 5. 谐振腔出口 △图 1 风琴管自激振动空化喷嘴结构示意图
为进一步简化 计算 , 可假 设入 口腔 的始段 、终 段阻 抗分 别为 Z 1, Z 2 , 认为管段的初始段完全敞开 , 即 Z 1 =0。 将风琴 管谐振腔简化为一个流容的物理 模型 , 即 略去风琴管 谐振腔 长度的影响 , 并将其当成一个体积为 V的流容 , 如图 2 所示 。 该物理模型中 假定 风琴管 谐振 腔为终 端 , 始端 敞开 , 入
2 d ) 构成谐振腔的入 口收缩 截面 ; 谐 振腔的 下部 与直径 为 d 2 的喷嘴出口 ( 谐振腔出口 ) 相连 , ( D/d ) 构成谐振腔 的出口
收缩截面 。 出口收缩截面既是自 激励机构 , 又是反馈机构 。 当稳定流体通过时 , 其收缩面既能使 流体产生初 始压力 激动 , 又能将 压力 激动 反 馈回 谐振 腔 , 形 成反 馈 压力 振 荡 。 根据瞬态流理论 和水声 学原 理 , 如喷嘴 结构 参数设 计合 理 , 使压力激动的频率与风琴管谐振 腔固有频率 匹配 , 反 馈的压
1 自激振动空化喷嘴的工作原理
1. 1 风 琴管自激振动空化喷嘴的工作原理 下面是以风琴 管自激 振动 空化喷 嘴为 射流 打击力 实验 研究对 象 , 风 琴 管 自 激 振 动 空 化 喷 嘴 结 构 示 意 图 如 图 1 所示 。 它是用一个长度为 L 、直径为 D的风琴管 式谐振 腔作为 振荡放大器 , 谐振腔 入口 与直 径为 D D / s的来 流管 相连 , ( s
( 1.S c h o o l o f Ma n a g e m e n t , T i a n j i nU n i v e r s i t y , T i a n j i n300072, C h i n a ; 2.D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , B e i j i n gJ i n g b e i V o c a t i o n a l C o l l e g e , B e i j i n g101400, C h i n a ) A b s t r a c t :T h ed i f f e r e n t u n i t o f o r g a n p i p eS R Cj e t n o z z l e s w e r ed e s i g n e d , t h ei m p a c t f o r c et ot a r g e t o f t h eS R C w a t e r j e t w a sm e a s u r e dd u r i n gt h eo r g a n p i p eS R Cj e t n o z z l e sj e t .T h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i co f S R Cw a t e r j e t w a s s t u d i e db yt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i s o f t h ej e t i m p a c t f o r c e .T h eh o m o l o g u smo d u l a t i o nf r e q u e n c y , i . e .h a r m o n i cf r e q u e n c yo f s e l f r e s o n a t i n g i nt h er e s o n a t o r o f S R Cj e t n o z z l eh a db e e nf o u n di nt h ef r e q u e n c y d o m a i nma po f S R Cj e t i m p a c t f o r c et ot a r g e t a n dt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c y d o ma i nm a po f S R Cj e t n o z z l e s , t h eme a s u r e dv a l u ei sc o n s i s t e n t w i t h t h a t o f t h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n , a n dt h ee f f e c t so f t h es t r u c t r e ep a r a m e t e r so f a no r g a n p i p er e s o n a t o r o nS R Cw a t e r j e t w e r es t u d i e d , a n dt h eo p t i ma l s t r u c t u r ep a r a me t e r sw e r eg o t .S ot h a t t h ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c hw o u l dp r o v i d en u m e r i c a l b a s i s f o rt h eo p t i m u md e s i g no f S C Rj e t n o z z l e s . Ke y w o r d s :e x p e r i me n t a l r e s e a r c h ;i m p a c t f o r c e ;s e l f r e s o n a t i n g ;c a v i t a t i n g ;n o z z l e 自激振动空化射 流是 80 年代初根据 流体自激 振动原理 而发展起来的一种新型高效射 流 , 它兼有 空化射流 与脉冲射 流的优点 , 具有结构简单 , 体积 小 , 无附加 外部驱动 机构和无 动密 封等 优点 , 多 用于 煤矿 开采 、石油 钻井 、岩 石切 割 等领 域 , 并在船体 、管道清洗中也已得到 初步应用 , 只需 对现有喷 枪的喷嘴作局部改进就能获得 显著的工作效 果 , 能 大大提高 作业效率 , 节水省时 , 降低成本 [ 1] 。 随着自激振动空 化射流的发展 , 国内 外许多学 者通过理 论分 析 、数值模拟 、压 力与流 量测量 、冲蚀 效果分 析等手 段 , 对其产生机理 、结构优化 、喷射特性 、开发 应用等方 面进行了 一系列的研究与探索 [ 2 ～ 7] , 但前人较少通过 对自激振 动空化 射流对射靶打击力 的直接 测量 分析来 研究 自激 振动空 化射 流的力学特征 , 而自激振动空化射流的力 学特性决 定了它的 作用效果 , 因此 , 对 其力学 特性 的综合 研究 对自 激振动 空化 射流的开发及应用有 着较强的现实意义 。 本自激振动空化 射流打击力实验研究 , 旨在通 过测量及 分析风琴管自激振动空化喷嘴喷 射时射流对 射靶的打击 力 , 综合研究自激振动空化射流的力 学特性 , 并研究结构 参数对 喷嘴产生自激振动空化效果的影 响规律 , 得出喷嘴的 最佳结 构参数 。
若在射流的主段 内能形成液滴冲击 , 水射流以 液滴冲击 靶物 , 则在靶面上会产生局部水锤压力 P ′ s P ′ v c s =ρ 约为 c =1, 481m/s 。 脉冲射流是指水 射流以脉冲的形式作用 于靶物 , 而非连 续 、稳定地作用于靶物 。 由公式 ( 2) 可知 , 脉冲射 流的打击力 远大于连续射流的打 击力 。 对于空化射流 , 令无量纲数 α表征空泡溃灭初 期泡内含 气量的大小 。 α= q 0 p 0 ( 3)
DOI : 10 . 13952 / j. cnk i . jofm dr பைடு நூலகம் 2008 . 06 . 030 第 24 卷第 6 期 2008 年 12 月
机械设计与研究 Ma c h i n eD e s i g na n dR e s e a r c h
V o l . 24 N o . 6 S e c . , 2008
文章编号 : 1006-2343( 2008) 0610207
自激振动空化射流打击力实验
王萍辉 ( 1. 天津大学 管理学院 , 天津 300072, E m a i l :w a n g p h 18@s i n a . c o m ; 2. 北京京北职业技术学院 机电工程系 , 北京 101400)
[ 1, 5]
103
确定 。 自激振动空化射流 兼有空化射流与脉冲 射流的特点 , 以 上分析可见 , 脉冲射流充分利用水锤效应 及应力波反 射形成 张力 , 使物料产生卸载 剥离 ; 空 化射流 使射 流冲 击压力 大幅 度提高 。 因此 , 自激 振动 空化 射流 能大 大提 高了 水射 流的 清洗 、切割及破碎等能力 。 1. 3 风 琴管谐振腔固有频率的近似计算 从上述对工作原理 的分析可见 , 要使 设计计算出 的喷嘴 能产生强烈的自激振荡空化射流 , 就要使 压力激动的 频率与 风琴管谐振腔固有频率 匹配 。 风琴管谐振腔固有 频率的计算十分复杂 , 为求解 风琴管 谐振腔固有频率 , 可通过建立基于异径均 匀管串接而 成的风 琴管谐振腔物理模型 [ 9] , 用 瞬态流 理论 及流 体阻抗 法 , 给出 含有七个未知量和 七个方 程的 风琴管 谐振 腔固 有频率 的数 值解模型 , 该数值解模型较直观 , 易于简化求解 。
△图 2 风琴管谐振腔简化为流容的物理模型
( 2)
式中 , c 为液体内 的声 波速 度 , m/s ; 20℃ 的 淡水 声传 播 速度
1, 2
I mp a c t F o r c e E x p e r i m e n t a l R e s e a r c ho f S e l f R e s o n a t i n gC a v i t a t i n g( S R C )Wa t e r J e t
WA N GP i n g h u i
收稿日期 : 2008 06 -27
第 6 期 王萍辉等 : 自激振动空化射流打击力实验 力振荡就能得到放 大 , 从而 在谐 振腔内 产生 流体共 振 , 形成 驻波 , 使射流剪切层涡 流变 成大 结构分 离环 状涡流 , 这 种大 结构的断续涡环流可以增强空 化作用 , 即 在出口处 产生大结 构的断续涡环流 、巨大 的压 力振 荡和高 强度 的空化 射流 , 即 自激振动空化射流
1. 2 自激振动空化射流的作用机理 在稳定连续射流 的垂直冲击下 , 作用 在靶物表 面上的压 力为滞止压力 P : s P s=
2 ρ v 2
( 1)
3 式中 : ρ 为液体密度 , k g /m ; v 为水射流的速度 , m/s
摘 要 :设计了不同尺寸组合的风琴管自激振动空化 喷嘴 , 测 量了风琴 管自激 振动空 化喷嘴 喷射时 射流 对射靶打击力 , 通过对射流打击力的比较 分析 , 研究了自激 振动空化射 流的力 学特性 , 发现 了自激 振动空 化射 流对射靶打击力频域图中存在与自激振动空化喷嘴振动 频域图中相 应的调制 频率 , 即自激 振动空 化喷嘴 谐振 腔内自激振动的谐振频率 , 实测值与理论 汁算值相符 , 并研究了风琴管自激振动空化喷嘴结构 参数对喷嘴 产生 自激振动空化效果的影响规律 , 得出喷嘴 的最佳结构参数 , 为自激振动空化喷嘴的优化设计提 供了参考 。 关键词 :实验研究 ; 打击力 ; 自激振动 ; 空化 ; 喷嘴 中图分类号 :T P 69 文献标 识码 :A
。
1. 入口腔 2. 过渡面 3. 谐振腔 4. 谐振腔反馈面 5. 谐振腔出口 △图 1 风琴管自激振动空化喷嘴结构示意图
为进一步简化 计算 , 可假 设入 口腔 的始段 、终 段阻 抗分 别为 Z 1, Z 2 , 认为管段的初始段完全敞开 , 即 Z 1 =0。 将风琴 管谐振腔简化为一个流容的物理 模型 , 即 略去风琴管 谐振腔 长度的影响 , 并将其当成一个体积为 V的流容 , 如图 2 所示 。 该物理模型中 假定 风琴管 谐振 腔为终 端 , 始端 敞开 , 入
2 d ) 构成谐振腔的入 口收缩 截面 ; 谐 振腔的 下部 与直径 为 d 2 的喷嘴出口 ( 谐振腔出口 ) 相连 , ( D/d ) 构成谐振腔 的出口
收缩截面 。 出口收缩截面既是自 激励机构 , 又是反馈机构 。 当稳定流体通过时 , 其收缩面既能使 流体产生初 始压力 激动 , 又能将 压力 激动 反 馈回 谐振 腔 , 形 成反 馈 压力 振 荡 。 根据瞬态流理论 和水声 学原 理 , 如喷嘴 结构 参数设 计合 理 , 使压力激动的频率与风琴管谐振 腔固有频率 匹配 , 反 馈的压
1 自激振动空化喷嘴的工作原理
1. 1 风 琴管自激振动空化喷嘴的工作原理 下面是以风琴 管自激 振动 空化喷 嘴为 射流 打击力 实验 研究对 象 , 风 琴 管 自 激 振 动 空 化 喷 嘴 结 构 示 意 图 如 图 1 所示 。 它是用一个长度为 L 、直径为 D的风琴管 式谐振 腔作为 振荡放大器 , 谐振腔 入口 与直 径为 D D / s的来 流管 相连 , ( s
( 1.S c h o o l o f Ma n a g e m e n t , T i a n j i nU n i v e r s i t y , T i a n j i n300072, C h i n a ; 2.D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , B e i j i n gJ i n g b e i V o c a t i o n a l C o l l e g e , B e i j i n g101400, C h i n a ) A b s t r a c t :T h ed i f f e r e n t u n i t o f o r g a n p i p eS R Cj e t n o z z l e s w e r ed e s i g n e d , t h ei m p a c t f o r c et ot a r g e t o f t h eS R C w a t e r j e t w a sm e a s u r e dd u r i n gt h eo r g a n p i p eS R Cj e t n o z z l e sj e t .T h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i co f S R Cw a t e r j e t w a s s t u d i e db yt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i s o f t h ej e t i m p a c t f o r c e .T h eh o m o l o g u smo d u l a t i o nf r e q u e n c y , i . e .h a r m o n i cf r e q u e n c yo f s e l f r e s o n a t i n g i nt h er e s o n a t o r o f S R Cj e t n o z z l eh a db e e nf o u n di nt h ef r e q u e n c y d o m a i nma po f S R Cj e t i m p a c t f o r c et ot a r g e t a n dt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c y d o ma i nm a po f S R Cj e t n o z z l e s , t h eme a s u r e dv a l u ei sc o n s i s t e n t w i t h t h a t o f t h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n , a n dt h ee f f e c t so f t h es t r u c t r e ep a r a m e t e r so f a no r g a n p i p er e s o n a t o r o nS R Cw a t e r j e t w e r es t u d i e d , a n dt h eo p t i ma l s t r u c t u r ep a r a me t e r sw e r eg o t .S ot h a t t h ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c hw o u l dp r o v i d en u m e r i c a l b a s i s f o rt h eo p t i m u md e s i g no f S C Rj e t n o z z l e s . Ke y w o r d s :e x p e r i me n t a l r e s e a r c h ;i m p a c t f o r c e ;s e l f r e s o n a t i n g ;c a v i t a t i n g ;n o z z l e 自激振动空化射 流是 80 年代初根据 流体自激 振动原理 而发展起来的一种新型高效射 流 , 它兼有 空化射流 与脉冲射 流的优点 , 具有结构简单 , 体积 小 , 无附加 外部驱动 机构和无 动密 封等 优点 , 多 用于 煤矿 开采 、石油 钻井 、岩 石切 割 等领 域 , 并在船体 、管道清洗中也已得到 初步应用 , 只需 对现有喷 枪的喷嘴作局部改进就能获得 显著的工作效 果 , 能 大大提高 作业效率 , 节水省时 , 降低成本 [ 1] 。 随着自激振动空 化射流的发展 , 国内 外许多学 者通过理 论分 析 、数值模拟 、压 力与流 量测量 、冲蚀 效果分 析等手 段 , 对其产生机理 、结构优化 、喷射特性 、开发 应用等方 面进行了 一系列的研究与探索 [ 2 ～ 7] , 但前人较少通过 对自激振 动空化 射流对射靶打击力 的直接 测量 分析来 研究 自激 振动空 化射 流的力学特征 , 而自激振动空化射流的力 学特性决 定了它的 作用效果 , 因此 , 对 其力学 特性 的综合 研究 对自 激振动 空化 射流的开发及应用有 着较强的现实意义 。 本自激振动空化 射流打击力实验研究 , 旨在通 过测量及 分析风琴管自激振动空化喷嘴喷 射时射流对 射靶的打击 力 , 综合研究自激振动空化射流的力 学特性 , 并研究结构 参数对 喷嘴产生自激振动空化效果的影 响规律 , 得出喷嘴的 最佳结 构参数 。
若在射流的主段 内能形成液滴冲击 , 水射流以 液滴冲击 靶物 , 则在靶面上会产生局部水锤压力 P ′ s P ′ v c s =ρ 约为 c =1, 481m/s 。 脉冲射流是指水 射流以脉冲的形式作用 于靶物 , 而非连 续 、稳定地作用于靶物 。 由公式 ( 2) 可知 , 脉冲射 流的打击力 远大于连续射流的打 击力 。 对于空化射流 , 令无量纲数 α表征空泡溃灭初 期泡内含 气量的大小 。 α= q 0 p 0 ( 3)
DOI : 10 . 13952 / j. cnk i . jofm dr பைடு நூலகம் 2008 . 06 . 030 第 24 卷第 6 期 2008 年 12 月
机械设计与研究 Ma c h i n eD e s i g na n dR e s e a r c h
V o l . 24 N o . 6 S e c . , 2008
文章编号 : 1006-2343( 2008) 0610207
自激振动空化射流打击力实验
王萍辉 ( 1. 天津大学 管理学院 , 天津 300072, E m a i l :w a n g p h 18@s i n a . c o m ; 2. 北京京北职业技术学院 机电工程系 , 北京 101400)
[ 1, 5]
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确定 。 自激振动空化射流 兼有空化射流与脉冲 射流的特点 , 以 上分析可见 , 脉冲射流充分利用水锤效应 及应力波反 射形成 张力 , 使物料产生卸载 剥离 ; 空 化射流 使射 流冲 击压力 大幅 度提高 。 因此 , 自激 振动 空化 射流 能大 大提 高了 水射 流的 清洗 、切割及破碎等能力 。 1. 3 风 琴管谐振腔固有频率的近似计算 从上述对工作原理 的分析可见 , 要使 设计计算出 的喷嘴 能产生强烈的自激振荡空化射流 , 就要使 压力激动的 频率与 风琴管谐振腔固有频率 匹配 。 风琴管谐振腔固有 频率的计算十分复杂 , 为求解 风琴管 谐振腔固有频率 , 可通过建立基于异径均 匀管串接而 成的风 琴管谐振腔物理模型 [ 9] , 用 瞬态流 理论 及流 体阻抗 法 , 给出 含有七个未知量和 七个方 程的 风琴管 谐振 腔固 有频率 的数 值解模型 , 该数值解模型较直观 , 易于简化求解 。
△图 2 风琴管谐振腔简化为流容的物理模型
( 2)
式中 , c 为液体内 的声 波速 度 , m/s ; 20℃ 的 淡水 声传 播 速度
1, 2
I mp a c t F o r c e E x p e r i m e n t a l R e s e a r c ho f S e l f R e s o n a t i n gC a v i t a t i n g( S R C )Wa t e r J e t
WA N GP i n g h u i
收稿日期 : 2008 06 -27
第 6 期 王萍辉等 : 自激振动空化射流打击力实验 力振荡就能得到放 大 , 从而 在谐 振腔内 产生 流体共 振 , 形成 驻波 , 使射流剪切层涡 流变 成大 结构分 离环 状涡流 , 这 种大 结构的断续涡环流可以增强空 化作用 , 即 在出口处 产生大结 构的断续涡环流 、巨大 的压 力振 荡和高 强度 的空化 射流 , 即 自激振动空化射流