水射流的冲击压力是一个关键因素在工程应用中,和飞机的形状有很大的影响在这个压力。本文五种不同喷嘴形状设计,和影响测试进行了基于自行设计实验平台使用PVDF压电薄膜传感器和高速摄影机记录影响的数据。此外,计算流体动力学(CFD)方法也适用于研究速度分布。结果表明,不同水射流的压力曲线的形状影响到固体表面提供一个一致的模式,即一个初始瞬态和巨大的峰值压力,然后再和较小的滞止压力。虽然本文驻点压力不够明显,五水射流压力峰值的形状大不相同。在相同的入口压力,循环的峰值压力水射流是最大的,和广场,三角形,十字形,椭圆水飞机依次降低。流动的体制被高速摄影机一起CFD模拟结果表明,峰值压力的差异可能是一个共同作用的液体速度和喷射头的形状。
最重要的一个水射流技术的发展寻找新的飞机。众所周知,喷嘴是水射流系统最重要的组成部分。它是直接相关的形状和散度水射流的特性。因此,喷嘴形状的变化将带来的新类型水飞机(
都花费了大量的精力来研究非传统的喷嘴。辛格et al。
文献综述表明,先前的研究在非传统的喷嘴主要集中在喷射速度的分布、流场形态,和heat-mass转移,一些论文直接称为非圆形水射流的冲击性能及其影响因素。正如我们所知,冲击造成的压力和冲击动力学可以高度不同的准静态情况。更重要的是,直接冲击造成的压力不等于泵的压力(我们在本文中使用进口压力)。目前,人们普遍认为冲击造成的压力由两部分组成,即停滞的水锤压力和压力。前压力通常几次大于进气压力起着重要的作用对材料的破坏。数量级的压力取决于喷射速度、射流密度,和飞机的形状。因此,本文的主要目的是揭示了水锤压力之间的关系和飞机的形状。众所周知,压力的影响,特别是中央影响水射流的压力是非常重要的在大多数的水射流应用程序(
高压水射流影响固体表面时,高速流体的速度矢量变化,这可能会导致水射流的动能损失。众所周知,这个失去了动力将转移到力的影响<我nline-formula>
本文打算使用的实验方法来测试压力的影响<我nline-formula>
nonsubmerged水射流的结构图。
为了方便起见,本文假定水射流是轴对称的结构。对于某些射流截面,压力中心<我nline-formula>
在这种情况下,无量纲变量<我nline-formula>
通常<我nline-formula>
摘要五种喷嘴出口不同形状的设计:与圆形喷嘴,广场,椭圆,十字形,三角孔。一个统一的内部结构包括收敛段和线段是应用于这些喷嘴如图
五个不同的喷嘴的内部结构和形状。
喷嘴的详细参数。
| 喷嘴的形状 | 线段的长度 |
喷嘴的长度 |
收敛角 |
喷嘴直径 |
|---|---|---|---|---|
| 圆形 | 11 | 48 | 14 | 24 |
| 广场 | 11 | 46 | 14 | 24 |
| 椭圆 | 11 | 40 | 14 | 24 |
| 十字形 | 11 | 46 | 14 | 24 |
| 三角 | 11 | 44 | 14 | 24 |
准确地捕捉非圆形水射流影响固体表面的过程,建立了一个实验平台,如图
图表的实验装置用于本研究。
的角频率旋转板<我nline-formula>
这个实验的数据采集系统是关键。首先,压电聚偏二氟乙烯(PVDF)电影是用来测量总冲击力<我nline-formula>
此外,我速度TR高速摄影机捕捉多达10<年代up>4年代up>帧每秒,捕捉战机影响固体表面的过程。相机被垂直喷射影响的方向。保护相机的溅水射流,一立方防水盖制成的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)放置在相机。二进制算法应用于处理飞机影响固体表面的图像,直接演示后高速流体的流态影响到固体表面上。
本文打算通过实验研究水射流的影响性能不同的截面。众所周知,飞机形状在喷嘴出口喷口的几乎是一样的。然而,这些特定的飞机形状可以改变轴向距离的增加,由于空气夹带。因此,准确的横截面的形状在一定轴向距离对我们来说是未知的。因为我们没有执行任何速度测量,速度剖面,可以直接说明横截面的形状,不能确定的实验方法。因此,应用CFD方法研究从不同的孔喷射形状的变化。
数值模型建立了根据试验喷嘴,如图
数值模型的配置。
水射流的速度轮廓在不同的距离。
可以看出速度等高线图的五个不同的喷嘴射流截面形状是按照相应的初始射流喷嘴孔区域,例如,飞机横截面形状在3毫米的轴向距离。与轴向距离的增加,射流截面逐渐转变成圆形状。众所周知,圆形、方形、三角形和十字架中心对称的,而和椭圆只是轴对称。最后,所有这些射流截面都是中心对称的。因此,对称的三角形和椭圆喷嘴改变轴向距离的增加,这表明,这两种飞机的雾沫的表现增强。根据射流横截面的变化与轴向距离的增加,必须选择一个适当的轴向距离为了保持相同的形状的喷嘴孔。因此,12毫米的距离在这个实验中被选为目标距离。
水射流的冲击性能是由许多因素共同影响,喷气机的结构特点,包括流场和速度场,在过去的几十年里备受关注。这主要是因为撞击飞机结构有着直接的影响。然而,高速液体到固体接触过程也有很大的影响冲击压力,尤其是在瞬态压力液体接触固体表面的瞬间。这种观点最初提出的鲍登和领域
数据
演进的一个圆形射流影响固体表面。
广场的演进射流影响固体表面。
三角形的演进射流影响固体表面。
十字形的演进射流影响固体表面。
椭圆射流的演进影响固体表面。
然后,飞机从一个方形孔,如图
除了飞机头的差异,不同孔喷射部分是非常独特的。时不规则且光滑圆柱梁出现的飞机发出一个圆形或方形孔,分别。三角形的飞机部分飞机是不对称的。从二维图像如图
因此,最明显的变化在飞机头部和水射流的主要部分从不同的孔可能最后导致jet-solid巨大差异影响的过程。这些过程可以直接观察到高速流体的流态前后联系。从高速相机的图像,可以看出,一个突出的部分,指出的箭头在图
分析表明,这些流政权是由压缩的液体射流中心。在固相平衡的影响,只在边缘是免费的液体流动最初,而中心的液体保持压缩,直到被释放电波从双方达成的。这意味着只有在液体不能自由地流在这个领域可能液体向外伸出,如图
正如上面提到的,飞机的形状,特别是飞机头形状,发挥了重要作用,液体压缩。因此,水的头部形状的多样性飞机发射不同孔导致流机制的差异。根据固液影响图像,突出的部分循环喷水是最明显的,这意味着伞状环形水射流的头部形状不利于横向射流的生成,它可以提高液体压缩程度。同样,蘑菇形的伞头形状的广场喷水也可能会导致相当大的液体压缩。相比之下,头部形状的三角形,十字形,椭圆水飞机不同的压缩程度。详细的fist-like头形状三角形喷气诱发不对称液体压缩由于其结构特点。这是不同的原因流政权之间的上部和下部的三角形喷气,如图
正如前面提到的,本文将探讨影响压力的中心点不同飞机影响固体表面上。总影响力量PVDF膜受到水射流可以记录第一,然后中央压力可以大概确定使用公式(
压力资料不同的水射流与时间。
从压力资料,有一个一致的模式对所有水射流的形状。首先,中央压力爬在极短的时间内一个巨大的价值。这个时间的大小约1毫秒的顺序。中央压力达到峰值后逐渐减少最后一个相对稳定的压力降低到零。这种现象几乎符合先前的研究结果(
压力剖面的另一个值得注意的特点是,五水射流压力峰值的影响固体形状不同,而停滞压力接近彼此。把图
调查中央入口压力的影响不同的水射流峰值压力,进气压力的控制实验进行选择5 MPa, 10 MPa, 20 MPa。众所周知,峰值和峰值压力的持续时间是两个主要参数。所有五个水射流的高峰值形状进气压力的增加而非线性增加,如图
峰值压力与喷气机入口压力的关系曲线。
如前所述,两个主要因素可能占峰值压力的差异。由于影响压力是流体动能的结果,液体速度峰值压力上起着重要的作用。所指出的较小和字段(
不同的水射流的速度分布:(a)速度轮廓,(b)轴向速度分布,(c)径向速度分布。
除了速度分布,喷射形状,特别是头部的形状,可能是差异的另一个原因在中心的压力。根据流动制度,伞状环形水射流的头部形状不利于横向射流的生成和可能导致广泛的压缩的液体。这种压缩可能反过来作用于固体表面的一个非常高的压力。相比之下,头部形状的椭圆射流是最有利于横向射流的生成,只造成轻微压缩液体。因此,中心压力引起的压缩行为是足够小。流政权的其他三个水飞机表明他们的头的形状导致中间液体按压,这相应地引起中央圆形水射流之间的压力和椭圆水射流。流政权还显示一个明显的中央压力分布测量结果的相似。因此,推断,中心的差异不同的压力水射流形状相同的入口压力可能是一个共同作用的液体速度和喷射头的形状。
小说实验平台的协助下本文应用CFD方法研究高压水喷射的影响性能不同的喷嘴孔。CFD结果表明,不同水射流的截面形状变化从原来的形状圆形形状的轴向距离的增加。因此,一个最佳的轴向距离大约15毫米被选为了保持相同的横截面形状的喷嘴的形状而设计的。
PVDF测试结果表明,中央的压力不同水射流形状影响到固体表面提供一个一致的模式,即初始瞬态和巨大的峰值压力,然后再和较小的滞止压力。本文的滞止压力不够明显,被认为是典型的脉冲水射流的压力分布图。五水射流压力峰值的形状影响到固体更不同。在相同的入口压力,循环的峰值压力水射流是最大的广场,和三角,十字形,椭圆水飞机依次降低。根据流动政权被高速相机,伞状头形状的圆形水射流不利于横向射流的产生,导致广泛的压缩在液体中。这种压缩可能反过来作用于固体表面的一个非常高的压力。相比之下,头部形状的椭圆射流是最有利于横向射流的生成,只导致液体微小的按压。其他三个水射流形状引起中间液体按压相应中央圆形水射流之间的压力和椭圆水射流。另一方面,速度分布地图显示,中央圆形水射流的速度是最高的,而椭圆水射流是最低的,和广场,三角形,十字形的飞机是在中间。因此,这中间的差异出发,推导出压力不同的水射流形状相同的入口压力下液体的联合行动速度和喷射头的形状。 With an increase in the inlet pressure, the peak values of all of the water jet shapes increase nonlinearly while the durations are nearly kept constant.
可以按照客户要求所有的数据都包含在本研究通过与相应的作者。
作者宣称没有利益冲突。
这项工作是由中国国家自然科学基金共同支持(排名51804115)和湖南省自然科学基金(2016号jj4032)。