高压水射流的冲击性能不同的喷口形状

文摘

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。

1。介绍

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(1]。最近,一些特殊的喷嘴与非圆形网点已经使用在某些特殊的应用程序,包括农业灌溉、喷射清洗,和射流切割。非圆形喷流的一个最重要的特点是轴开关现象,在射流周围遇到变形轴回水区在喷嘴后退出。这些非圆形喷嘴出口统称为非传统的喷嘴。如前所述,水射流的冲击压力是工程应用的关键因素。只有如果我们获得他们的影响性能,我们才能在工程应用中有效地使用这些非常规的飞机。然而,这些非常规的飞机的影响压力和影响因素目前仍未知。

都花费了大量的精力来研究非传统的喷嘴。辛格et al。2)实验调查了夹带圆形和非圆形喷流的特征。他们发现飞机等腰三角形截面的原因最大的夹带。Yu et al。3)进行了数值模拟喷射雾沫的圆形,椭圆,广场,十字形,三角形的喷嘴。这是确定最大平均速度时间的幂函数的轴向距离。杨et al。4)提出了一个结合的广场出口,三角插座,和圆形插座生产更好的空化射流。享乐者et al。5)设计了一个椭圆喷嘴结构参数与变量轴向为了获得高压low-divergence水射流,三个不同的喷嘴和圆形,矩形,椭圆网点是为了传播切削液。结果表明,圆形喷嘴的传输性能最好,但它需要更高的进口压力(6]。辛格et al。7)进行了实验和数值研究,研究喷嘴的形状在无侧限的影响从加热圆柱射流冲击传热。他们选择圆形、广场和矩形喷嘴的水力直径比较研究。Sodjavi et al。8研究十字形撞击飞机的特点和由此产生的墙剪切率和使用电扩散传质技术和粒子图像测速技术(PIV)的方法。高分辨率PIV也被用于研究流特征的近场矩形,正方形,椭圆形,和三角水飞机(9,10]。Vouros et al。11)进行了三维速度测量在一个矩形射流的近场来自一个锋利的边缘孔。他们发现的一般进化的横断面形状矩形射流由于角落漩涡出现在飞机的开始。Vinze et al。12)考虑的影响喷嘴形状(圆形、正方形和三角形)在本地传热分布,发现轴切换机制为非圆形喷流是由涡量强度。沙玛和方13发现更大的宽度和较大的表面从矩形区域的柴油喷雾,广场,三角孔比圆孔。奎因(14)比较了混合特征的近场和过渡区一个免费的飞机从一个椭圆孔和圆形孔,发现混合在一个椭圆射流从锋利的孔板发出高于飞机。

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(15- - - - - -18]。因此,本文拟通过实验研究水射流发行的中央影响压力来自不同喷口形状。

2。基本理论来确定压力的影响

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作用在固体表面上。根据动量定理,冲击力可以计算如下: 在哪里液体的密度,流的速度,是喷射速度,墙上面之间的夹角,反射后的流体方向影响的对象。的冲击力计算公式(1)是飞机的总作用力作用在固体表面上。然而,这种冲击力通常不能直接反映飞机破坏材料的能力。一般来说,水射流冲击力的单位面积上的材料,即。压力的影响,实际上是一个测量的能力。

本文打算使用的实验方法来测试压力的影响水射流对不同喷嘴形状。首先,总冲击力可以获得压力传感器。然后,压力的影响使用这个公式可以确定 ,在哪里的总接触面积水射流影响固体表面上。总冲击力可以很容易地通过任意数量的测试方法。然而,接触区域千差万别。这是由于在高速射流影响的极端复杂性在固体表面上。复杂的主要问题之一是水飞机的横截面的变化。众所周知,高速射流与周围的空气混合。这夹带的液体与空气将导致减少边界水射流的速度。然后,飞机结构与大型中心速度和一个小边界速度形式,如图1。这速度分布将导致不同的压力影响飞机的横截面。因此,公式 不能直接用于计算压力的影响。

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,压力中心和压力的影响在横截面上任意一点可以表示如下(19]: 在哪里横截面上的一点是垂直距离飞机的中心轴,和价值的属于范围从来这是飞机的半径在这部分。因此,压力的影响在任何时候的横截面可以由以下表达式: 在哪里 。显然,的范围1和1之间。因此,总冲击力的部分可以表示为

在这种情况下,无量纲变量是足够小,可以忽略高阶项在上面的公式,它可以简化为以下表达式:

通常被认为是一个积极的价值由于飞机结构的对称性;因此,参数摘要被认为是积极的。因此,冲击压力中心大约可以由公式 。这个计算公式适用于喷嘴与集中对称或轴对称射流结构。

3所示。实验程序

3.1。实验平台

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2。内部结构的详细参数表中所示1。假设所有喷嘴的横截面区域是相等的毫米²。因此,平等水力直径是2毫米,和详细结构尺寸可以解决,如图2。

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3。这个平台由两个独立的子系统,水jet-producing系统和数据采集系统。首先,水从水箱和加压泵的实验值5 MPa, 10 MPa, 15 MPa, 20 MPa选择。然后,压水从喷嘴喷射高压水射流。如前所述,本文侧重于jet-solid瞬态行为的影响。然而,这水射流是一个较大的值不断加压的乳液泵。因此,如何生成velocity-determined飞机是一个巨大的挑战。在目前的工作,设计的脉冲水射流发生器Dehkhoda和罩20.)是应用做了一些调整。修改后的发电机使用两个固体圆板切断连续喷射。前板有两个洞在同一圆和contra-rotates电机,和背面板上有一个小洞,是固定的实验平台。首先,前板上的孔的位置进行调整,以避免喷嘴的中心。因此,水射流不稳定不能穿过这个洞。水射流的压力变得稳定后,前板开始旋转频率 ,由电机驱动的。当孔喷嘴中心的一条线,连续喷射穿过洞和脉冲水射流形成一定的压力。请注意,飞机的形状,特别是飞机头形状,可能会改变不规则形式由于旋转过程。因此,图像采集系统的最优布局被选在这个实验。在细节,光源和相机应该符合喷射梁首先。然后,光束应切切断板上的孔的旋转路径。在这种情况下,捕获下喷射形状保持一致的原始喷射形状主要由喷嘴的形状。

的角频率旋转板 ,和中央角孔的 。因此,每个脉冲水射流的持续时间可以获得

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在这篇文章中。与其他压力传感器相比,PVDF膜本身产生一个高电压,薄和灵活的结构,一个负责任的频率高,大范围的线性和低的声阻抗。此外,它可以直接连接到目标的身体,因为它极薄的特点。聚乙烯醇缩甲醛4 -。040 - ek PVDF压电薄膜用于目前的实验(21]。薄膜传感器有一个薄圆柱尺寸,直径0.5毫米和0.1毫米的高度,它是由两个镀银电极焊接一对双绞线。这部电影的应用范围传感器可达10绩点;因此,它完全满足测试需求。正如上面设计的,等于水力直径是2毫米。因此,无量纲变量可以通过计算 。然后,压力他确定是0.84倍的压力吗根据公式(3)。在这里,的冲击压力水射流在PVDF膜的边缘,而是中心的PVDF膜。在实践中,射流直径扩大与轴向距离的增加,如图1。即喷射直径远远大于2毫米和无量纲变量小于0.25。因此,测量压力压力远远大于0.84倍的中心 。考虑到冲击压力的边缘电影接近中心的压力,假设PVDF膜受到均匀分布压力水射流。因此,公式(5)可以用来计算压力中心在这个实验中。

此外,我速度TR高速摄影机捕捉多达10⁴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。

3.2。数值模拟验证

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4,其中 - - - - - -轴是设置为喷射方向, - - - - - -轴是设置为垂直方向, - - - - - -轴是设置为径向方向。边界条件由进口的压力,墙,出口压力。在这里,我们将喷嘴进口压力设置为15 MPa,喷嘴出口压力是大气。我们可以用这些参数以及速度轮廓在喷嘴的流量特性进行了数值模拟。水射流的速度分布在不同的轴向距离可以获得,如图5,在这代表径向距离和代表垂直距离对应于图的坐标轴4。是水的水力直径相等飞机。

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。

4所示。结果与讨论

4.1。流动的水射流影响政权在固体表面上

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22),然后大量的后来的研究(23]证明这种假设实验和数值方法。然而,大多数这些研究要么使用一个圆,像一个液体滴,或简化的飞机到一个圆柱体。在实践中,飞机头是不规则的,如图5- - - - - -9。因此,固液接触过程可能存在很大差别,一个实际的水射流的影响,可能导致影响压力的差异。

数据6- - - - - -10关键是水射流影响固体表面的图像。伟大的差异出现在飞机结构变化喷嘴形状,特别是喷射头的形状。正如上面提到的,所有的飞机头是不规则的。这是符合实验结果,刘等人。24]。此外,从不同的喷嘴喷射头孔差异很大。首先,飞机从一个圆孔,似乎一个伞状的形状,正如图中的虚线6当 。请注意,飞机头是不连续当放大图像。换句话说,它由许多高速水滴。伞状的形状就是这些水滴的包络曲线。因此,水射流影响固体表面的接触过程实际上是许多水滴的影响。这可能是根原因实际之间的差异影响压力水射流与连续射流和理想的水。

然后,飞机从一个方形孔,如图7,作为一个蘑菇形的伞比圆形射流奉承的头。这个结构间接表明,循环比平方收敛射流。然而,其余三个喷射头更不同于上述情况。飞机头三角孔,如图8看起来像一个拳头,规模远小于圆形和方形的飞机。飞机头的十字形(图9)和椭圆孔(图10)都像大箭头。然而,十字形的飞机的大小是最小的,而椭圆的飞机是最大的。值得注意的是,所有的这些飞机头是不连续的,包含大量的高速水滴。

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8,较低的一侧的飞机部分比上面的更为顺畅。这可能是由于高速摄影机的拍摄角度,提出了两种极端现象时,喷气机从一个椭圆或十字形排放孔;即十字形射流的宽度是最小的,而椭圆的飞机是最大的。在本文中,我们定义目标的宽度为1。因此,规范化射流的宽度从五个不同的孔。详细的宽度,圆形,正方形,三角形,十字形,和椭圆飞机大约0.11,0.08,0.12,0.06,和0.35,分别。

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6,出现后立即jet-solid接触。在这个时候,一个典型的液体流态与中心突出在外围流体影响可以很容易地观察到。jet-solid影响仍在继续,向外突出的部分移动,直到最后消失。然后,一个稳定的流态出现v字形,直到结束的影响。同样,所有在场的非圆形水射流影响固体流机制类似于圆形水射流。但是,某些差异存在在不同水飞机,如液体的开始点突出,突出部分的持续时间长久,最后V-like形状。完全,上述循环的水射流的流态影响最明显的固体,随后先后的广场的飞机,三角喷气,十字形的喷气机。然而,椭圆射流的流态影响固体显示一点点相似与其他四个水喷射。

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6。一般来说,更高的液体压缩程度可能会导致一个更明显的液体突出的现象,也就是说,一个更大的突出的高度和更长的持续时间。所谓液体压缩可能终于引发一个巨大的水锤压力(25],这种液体压缩共同受冲击波影响,液体速度、喷射形状等等(23,26- - - - - -28]。根据黄等。23),液固撞击会产生冲击波,将对传播的影响方向以压缩的方式。暗示,压缩波传播到液体必须连接到边缘的接触点古典惠更斯原理。由于飞机的弯曲形状,接触点向外移动到固液界面的冲击。这时,液体内的激波极其压缩,所以飞机中心周围出现一个突出的部分。随着冲击波的信封向外扩张,向外突出的部分相应的举措。一旦冲击信封从接触点分离,横向射流形式和突出的部分消失了。

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8。除了三角飞机的头部形状椭圆射流与长轴和短轴也会造成非对称液体压缩。短轴方向,液体有利于向外流动,只受轻微压缩。相比之下,液体在长轴方向上大大压缩。虽然十字架是轴对称的头部形状,实际的直径远远小于其他四个形状。因此,十字形的喷气流机制的反映,其中心压缩程度也足够小。这些流动特性可能最后导致影响压力巨大差异。

4.2。中央的压力不同的喷流影响固体表面

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(5)。然后,中央压力资料不同的水射流影响见图11。

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(29日)的水射流冲击压力,提出过程水射流的影响可分为两种典型阶段,即水锤压力阶段和滞止压力阶段。注意,细微的差别在停滞阶段之间存在之前的研究,这些实验结果。前者认为认为驻点压力是一个稳定值,它将持续较长时间,而这个实验的滞止压力不够明显。我们认为造成这种差异主要是表演时间。前者认为水射流的影响作为一个持续的过程,而这个实验用脉冲水射流。每个脉冲的持续时间大约是15毫秒根据公式(6)。因此,我们认为图11是一个典型的脉冲水射流影响的压力分布图。这一发现是大致符合实验结果由Li et al。30.]。

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(11日)作为一个例子,圆形水射流峰值压力的影响达到高达约47 MPa当喷嘴进口压力5 MPa。在同样的喷嘴进口压力、峰值压力的广场,三角形,十字形,椭圆水飞机影响依次降低。相比之下,椭圆的最小峰值压力水射流影响大约38 MPa,只达到80%的循环喷水。这种现象并没有改变喷嘴进口压力明显增加。

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12(一个)。注意,山坡上的曲线在图12(一个)与进口压力的增加逐渐减少,这反映了进气压力峰值压力的影响随进口压力的增加而减小。峰值压力的关系持续时间与入口压力如图12 (b)。如图11,没有明显的停滞压力出现对这些脉冲水射流。因此,我们很难以获得持续时间从起始时间停滞时间。在本文中,我们定义的时间间隔从起点到峰值点峰值压力的持续时间。从图可以看出12 (b)各种各样的水喷射的时间几乎是与增加进气压力保持不变。另一个明显特征是十字形的持续时间和三角水射流更长时间比其他三个水喷射。

4.3。讨论的结果

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(31日),给出了中心区域的峰值压力 在哪里液体速度吗是水的密度。Ref。32]给出了激波速度由以下关系: 在哪里和分别声波速度和数值参数。对水速度1000米/秒,被设置为2。因此,公式(7)可以写成 。假设声波速度是一个常数在这个实验中,峰值压力吗只是一个二次函数液体的速度 。在这个实验中,我们没有进行速度测量但设置相同的进口压力对各种水飞机。获得速度分布、CFD方法。不同水射流的速度分布形状如图13。影响力测量进行了归一化距离为7.5 如图(13日),在那里毫米的轴向距离吗是等于水力直径2毫米。根据图13 (b),中央五水射流速度的形状与规范化的轴向距离减少。等高线地图显示,所有水射流的截面形状在这个距离的扩展部分,大约是正常的,径向速度分布如图13 (c)。PVDF膜的直径是0.5毫米0.25对应 ,在哪里是毫米的径向距离。在这方面,我们很难以观察详细的速度分布曲线的重叠,如图13 (c)。因此,收集看到放大的图在图13 (c)。可以看出,中央圆形水射流的速度在这个截面是最高的,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。这个速度分布是符合中央的压力如图11。因此,我们可以推断五水射流的速度分布形状峰值压力的差异的主要原因,给予相同的喷嘴进口压力。

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。

5。结论

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.

数据可用性

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。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

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)。

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