试验研究的不稳定特性和高压水下空化射流的影响性能

文摘

高压水下空化射流广泛用于材料喷砂、石油钻井、海洋工程。密集的空化的影响性能的飞机是相关的因素,如工作条件和喷嘴几何。揭示喷嘴发散角之间的关系和飞机的喷气压力不稳定特点,高速摄影的帧率20000 fps是用来记录空泡云的形象。灰度分析算法在MATLAB开发的用于研究注入条件的特殊结构的影响,不稳定的特点,和脱落频率的空化气泡。空化射流的冲击载荷特性与不同空化数和对峙距离使用高度响应压力传感器记录。发现空泡数是影响淹没射流空化形态的主要因素。空化数越低,就越强烈的空化发生。缩放型喷嘴产生的空出口发散角的发展也有重大影响空化云。三喷嘴出口发散角的40°、80°和120°,使用喷嘴形成泡沫浓度最高的40°的发散角,但高浓度的空泡泡沫只分布在一个很小的喷嘴出口的范围。使用喷嘴所产生的蛀牙发散角为80°可以达到好的结果的浓度和分布范围,而喷嘴发散角为120°有较低的空化性能由于缺乏约束的出口加剧喷气机的剪切应力。 According to the result of frame difference method (FDM) analysis, the jet cavitation is mainly formed in the vortex structure generated by the shearing layer at the nozzle exit, and the most severe region in the collapse stage is the rear end of the downstream segment after the bubble cloud sheds off. The impact load of the cavitation jet is mainly affected by the stand-off distance of the nozzle from the impinged target, while the nozzle outlet geometry also has an effect on the impact performance. Optimizing the stand-off distance and the outlet geometry of the nozzles is found to be a good way to improve the performance of the cavitation jet.

1。介绍

高压射流技术具有高能量密度的特点,强大的冲击力,和高可控性。广泛用于石油工程、船舶清洗,和金属material-strengthening工程领域(1- - - - - -3]。水下高压喷射时,喷嘴出口的速度通常可以达到超过200 m / s。在这个时候,一个高速梯度之间形成高速射流喷嘴出口和周围的静态流体。剪切层之间形成的动态和静态区域,产生涡环与中央的压力很低。液相转换在低压气相区域和空化发生(4]。研究表明,气蚀的崩溃是伴随着极其强大的冲击波和微型喷气发动机,产生冲击和振动液压机器(5- - - - - -8]。在特定速度,高的泵气蚀引起的翼尖涡流泵工作时通常是发现在较低的空化数条件下(9,10]。这些现象会导致空泡腐蚀影响材料(11,12]。另一方面,当控制气蚀和使用得当,它可以大大提高射流切割的效率,除锈,喷丸过程13- - - - - -16]。

目前,许多学者注意高压喷射的影响,针对优化高压射流切割和洗涤性能。通过优化的高压喷嘴腔石油钻探,自激振荡的方法,利用空化流提出了提高切割效率的飞机。岩石破碎的效率(增加了1 - 2倍17]。领域的空化水射流喷丸(CWJP),工艺参数优化与参考疲劳强度,表面粗糙度、残余应力喷丸后材料表面的深度(18]。飞机详细分析了目标距离和影响时间。喷嘴粗糙度侵蚀性能的影响也是研究[19]。发现在不同入口压力条件下,喷嘴的内壁的粗糙度对应最强的侵蚀性能也不同。此外,空化射流也用于材料试验,评估了anticavitation强度和性能的金属20.- - - - - -23]。

为了提高高压空化射流的影响,掌握空化流动特性的飞机以及空化形成的机制和崩溃,许多研究人员研究了速度场、压力分布和空化形态的空化飞机。Soyama et al。24]认为掌握高压空化射流的动态特性具有重要意义对提高空化性能的飞机。他们研究了高压空化射流的空化形态由三个不同的喷嘴通过高速摄影。压力测试纸是用来测量的分布产生的冲击压力喷嘴下游泡沫的崩溃。发现的形状产生的泡沫喷射大大地影响喷嘴的结构,有一个持续的泡沫组喷嘴的出口,但它将打破和剥离后一定距离。喷嘴的下游压力分布有两个峰值。发现这个分布特征可能与不稳定的泡沫集团的脱落现象。

透明shrink-type喷嘴用丙烯酸树脂用于观察高压喷嘴内部的空化,高频和低频信号得到的图像灰度的高速摄影25]。相比之下,发现低频信号与柱塞泵的脉动一致,和高频信号的频率与腔脱落。通过监测腔长度的变化随着时间的推移,低频信号对应于柱塞泵的压力波动和高频信号与腔脱落也获得(26]。基于高速摄影技术,在射流空化脱落的现象进一步研究,和放射频率的函数建立相应的喷射压力和喷嘴几何形状,通过实验分析验证(27]。同时,光学技术是用来捕捉闪光现象,而泡沫崩溃,这证明高能冲击波的存在。渡边等。28]POD图像处理技术应用于高速图像分析空化的飞机和捕获的位置空泡崩溃。藤泽et al。13)进行了高速摄影和纹影在高压水下飞机射击。由此产生的泡沫崩溃的立场相似,通过Ryuta渡边,而纹影摄像机捕捉激波产生的泡沫的崩溃。

然而,研究高压空化射流的非定常特性主要证明水下高压喷射的高频脱落现象。研究非定常空化现象和喷嘴之间的关系缺乏发散角以及工作条件。此外,研究冲击载荷特性的水下侵犯表面空化射流在不同操作条件下缺乏。摘要高压空化射流的不稳定特性分析了在三个不同的角度和不同的空化数通过高速摄影和高度响应压力传感器检测。空化流的频率在不同条件下提取,通过分析空化云的灰度数据相比,和空泡泡沫崩溃的影响进行了研究。

2。实验仪器和方法

2.1。水下高压系统空化射流

图1显示了空化射流实验平台和测试系统。意大利系统使用基于“增大化现实”技术的高压活塞泵提供高压喷气机。活塞泵的最大工作压力是50 MPa,额定转速为1450 rpm,流量是0.00025米³/ s。在实验中使用的水是纯净的水,温度是25°C。引水系统的杂质被滤前流入柱塞泵;压力安全阀和压力表连接下游。的上游压力喷嘴控制通过调节柱塞泵的速度。一个压力表设置压缩阀和喷嘴之间,它显示的瞬时上游压力喷嘴。工作压力是由不同的活塞泵的转速控制,通过设置电机转速实现使用一个逆变器。试验压力是决定时,电机速度逐渐增加,直到压力计达到客观价值。图2显示转速之间的关系和泵的压力时,飞机是由不同的喷嘴。

为了避免影响上游的弯管在喷嘴压力,连续300毫米不锈钢管连接上游的喷嘴。飞机平台分为两个部分:一个测试水箱贮水箱。的贮水箱供水,柱塞泵位于水箱底部的测试。为了方便的视觉研究水下飞机,测试坦克是由透明材料,聚甲基丙烯酸甲酯,折射率接近水,可以有效地避免由于摄影位置错误。为了确保出口可以返回相同的位置每个喷嘴变化后,喷嘴潜浮性能固定在移动夹幻灯片,幻灯片的重复定位精度是0.01 - -0.02毫米。当喷嘴和淹没射流的环境保持不变,只空化强度与空化数定义如下: ,在哪里在下游压力喷嘴的出口,的饱和蒸汽压射流的温度,然后呢在喷嘴的上游的压力。随着温度和下游压力没有改变实验期间,空化数的变化通过改变上游压力。

2.2。过程高速摄影

图3显示了缩放喷嘴空化中常用飞机。包括喉径的关键参数d,收敛角β的发散角α和相应的三个阶段的长度。本文对空化射流发散角的影响进行了研究。三个不同的发散角α= 40°、80°、120°进行了研究。其他参数选择如下:D= 6毫米,d= 1毫米,β= 13.5°,l₁= 5毫米,l₂= 4毫米,l₃= 4毫米。高速摄影是用奥林巴斯高速摄影机进行。它由150 W LED聚光灯照亮,这之中的背面。透明的泡沫和水之间的界面相对较低,并为光强反射。因此,照片中的空化区域相对较明亮。拍摄面积是272×352照片,射击频率是20000 fps,曝光时间是50μ秒。图像记录开始后电机转速达到稳定,和每组数据的记录时间超过1秒。在高频射击,相邻帧之间的时间间隔非常短,这是方便记录泡沫空泡生成的过程中,脱落,崩溃。为了量化的空间特征反应泡沫发展,这些照片被校准实验,如图4。统治者规模位于喷嘴的轴面,和方向垂直于相机镜头的轴线。镜头和喷嘴的位置保持不变的图像记录。捕获的数据后,选择60毫米的长度的后处理软件我速度,张成和像素的数量是197照片。从这个,众所周知,一个像素占一个正方形尺寸0.305毫米×0.305毫米。

2.3。检测空化射流的冲击影响

冲击载荷造成的冲击在泡沫的崩溃使用高度响应压力传感器测量102 b03 PCB,嵌装在不锈钢板的表面。压力传感器的上升时间为1μ年代,0.07 mV / kPa的敏感性,500 kHz的共振频率,和一个直径5毫米的敏感地区。传感器是由一个恒定的直流电使用电源提供的4 mA /信号调节器由兰斯,和输出电压信号收集使用数据采集卡HSJ2010 250 kHz的采样率。不同喷嘴的压力信号与不同空化数和对峙距离记录和分析,以避免损坏传感器的空化的影响;探测器是设置为1毫米隐藏式相对于飞机侵犯。另一方面,实验过程优化的曝光时间限制传感器空化射流。确保传感器的准确性不受空化的影响,相同的一组数据收集工作条件之前和之后的所有实验。

3所示。结果和分析

3.1。淹没射流空化云分布在不同的压力

图5显示了动态过程的发散角的喷嘴所产生的空泡云下40°的四种不同空化数。相邻的图片之间的间隔是50μ年代,总时间是0.9毫秒,其中包括完整的脱离。可以看出,不同压力下空泡云的分布有很大的区别,主要是在泡沫的长度和直径集群,也有一定的差异在腔的位置。一般来说,随着压力的增加,空化强度逐渐增加,和空泡云的规模逐渐增加。发生脱落的位置稍微下游移动,和脱落时间略有延长。从图可以看出5(一个)最初的空化云(t= 0μs)基本上是连续的,有一个细长的水柱在喷嘴出口附近,也就是喷气速度最高的核心区域。由于水的粘度,生成一个涡环的退出喷嘴(Y= 0到10毫米)在高速剪切扩散到环境中。由于涡环的规模是小的直径喷嘴喉部和涡生成的频率很高,难以识别的高速照片。一个更好的方法来揭示兰金涡旋是数值模拟的发展。根据飞机的特点,涡配对下游兰金涡旋移动时发生。这种现象可以访问的涡合并规模更大比原兰金涡旋。的影响下的低压区漩涡核心中心,这儿的水改变蒸汽,空化云扩散与湍流的影响下的涡环。柱状空泡云开始扩大的位置Y= 10毫米;达到最大的位置Y= 20毫米,然后它开始萎缩。空泡云的顶部是锥形的,因为速度是最高的中心和空泡云的移动速度最快的拖下的液体。当它发展的时间t= 50μ年代,空泡云在喷嘴出口截面的位置Y= 5 - 10毫米,两部分骨折后继续发展。在前端,分离空泡云逐渐崩溃的压力增加,而向下游运动。同时,湍流扩散的影响下,空化云的边缘轮廓变得模糊。共同作用下的扩散和崩溃,泡沫云流段的面积迅速减少。在400μ年代,只剩下环形蒸汽云是在压力相对较低的地区。的泡沫在出口处部分喷嘴快速生长断裂后,下游延伸。它有一个柱状结构在150年的时间μ年代后期然后扩大和蔓延。如图5 (b)时,空化数减少 ,泡沫云脱离,位置稍微下游移动,断裂发生在Y= 10 - 15毫米。泡沫的发展趋势在喷嘴附近骨折后段类似 。的崩溃脱落的上端部分加剧,这两部分之间的间隔空泡云逐渐增加,表明压力波动Y= 30 mm加速泡沫的崩溃。下一个脱落发生在800年μ年代,和阴影泡沫没有消失当云移动位置Y= 52毫米。相比之下, ,空泡云长度的增加,开发周期略长。条件下的 ,由于流量系数和流率的增加,空化现象迅速加剧,而空泡的直径和长度变得明显大于上述两个条件的压力。在的情况下 ,飞机速度快,泡沫一代更强烈,所以泡沫崩溃之前下游可以移动一个位置。

缩放喷嘴广泛应用于空化飞机。与其他类型的喷嘴相比,这种类型的喷嘴的空化性能在相同的功率条件下高。摘要高速摄影研究出口的影响进行发散角的喷嘴射流空化云。图6显示了一个瞬态的照片所产生的空泡云水下飞机使用喷嘴和发散角40°,80°和120°。作为空化数 ,和两个相邻图片之间的间隔是50μ年代,如图6(一)在最初的时候(t= 0μ,空泡云是一个柱状结构的直径逐渐增加下游附近的喷嘴。然后,开始发生位置附近Y= 20毫米。在脱落过程中,泡沫的屁股集团在下游部分迅速崩溃,和泡沫的云结构弯曲,表明在这个位置是严重的动荡和压力相对较高。由于脱落的尾巴部分的崩溃,泡沫分离云之间的距离逐渐增加,和上游泡沫云崩溃和同时收缩。比较这个喷嘴的空腔,可以发现腔的直径的喷嘴最大的40°角,表明在喷气气泡的扩散速度比其他两个喷嘴。80°喷嘴腔的形状接近40°的喷嘴,但泡沫的轮廓清晰,表明泡沫的分布更集中,更少受到周围的漩涡和湍流的影响,扩散慢。空化射流的80°喷嘴,大部分的泡沫崩溃之前的位置Y= 60毫米,表明这个位置是最优目标距离切割或锤击使用空化射流喷嘴。与前两个喷嘴相比,泡沫形状的喷嘴发散角为120°是截然不同的。脱落后,慢慢腔扩散和崩溃,接下来脱落开始之前的崩溃前分离空泡云。腔的直径小而期刊品格是弱。总之,扩张角的喷嘴的角度对喷嘴性能有很大的影响,尤其是对空化性能。发散角越小,气蚀性能越好,但它也会导致流的不稳定,和泡沫的连续性很差。发散角太大时,约束力出口截面的剪切层不足,这将引起空化性能的下降。

3.2。灰度分析淹没空化射流的形象

为了提取空间分布变化的泡沫在很短的时间内,通过高速摄影照片是通过MATLAB代码转换成一个灰色的矩阵。因为泡沫的透光率远低于液体的水,当卤素灯的光投射到气液界面的泡沫,蒸汽泡沫反映了镜头的透射光的一部分,和空穴浓度越高,成像亮度越高,可获得的相机。处理的灰度图像对应于一个每像素灰度值,灰色与照片中的亮度值呈正相关,和泡沫密度越高,灰度值越高。在此基础上,两张照片之间的灰度强度差异在相邻的时间可以用来反映泡沫的增长和消失。摘要FDM分析是进行低泵压力( )40°的发散角喷嘴。如数据所示7和8,开发过程对应于第一个250μ年代的图5(一个)。图中的标度值增长率成正比的泡沫;正值表明泡沫的增长,和负值表明泡沫的崩溃。更明显的环形喷嘴附近区域可以观察到生长,即空化产生的剪切和高速流体之间的固定液。周围的剪切层的压力正在迅速取代了环境压力,因此增长区域显示了一定的随时间变化的优点和缺点。50的时候μ年代在图7,都有一个相对明显的灰度降低喷嘴出口附近,这是由于突然扩张空泡云的喷嘴出口截面,因此短期分离空泡云的地方。的蓝色区域表示图中的虚线表明泡沫崩溃的主要区域。从图可以看出5(一个),泡沫的破裂主要发生在空泡云坏了,和的位置集中在屁股流空化云。这是与藤泽等人的研究结论一致。他们记录的崩溃所产生的冲击波高压水下空化射流的纹影。冲击波主要位于尾部的空泡云。

为了定性地比较各种参数对空化的影响,介绍了提取2000年灰色矩阵的空化云照片的时间间隔50μ年代,平均价值计算的时间。无量纲处理的灰度值执行获取灰度强度值 。通过灰度强度图,每个压力下的空化气泡的分布可以更清楚地观察到。灰度值越高,空化越严重分析期间发生在相应的位置。图8(一个)显示了时间上的灰度分布泡沫图像采样期间在三种不同的压力下。可以看出,随着压力的增加,泡沫的长度和宽度逐渐增加,但增长率并不是线性的。这可以从图中找到8 (b)每个压力下,泡沫浓度不断增加从喷嘴出口到下游,然后逐渐降低的影响达到峰值后崩溃和扩散。在的情况下 0.0070,先空化蒸汽的浓度达到峰值Y= 20毫米;相应的灰度强度值是0.875。在空化数 0.0055,泡沫浓度达到峰值的位置Y= 20 mm-40 mm;的最大灰度强度值大约是0.9。在的情况下 0.0049,泡沫浓度略高于 0.0055。

图9显示了时间上的分布产生的空泡云三个不同的喷嘴在高泵压力( )。相比之下发现,80度的发散角的喷嘴有广泛的覆盖率和相对较高的强度。的空化射流喷嘴的发散角40°,空泡云更集中,而腔喷嘴的发散角为120°更分散。从图可以看出9 (b)的泡沫浓度分布的差异三个喷嘴中心线是显而易见的。与120年喷嘴的空化气泡浓度°发散角是最低的,而40°喷嘴显示最佳的空化性能。

3.3。放射频率的分析射流空化云

正如上面提到的,脱离现象不可避免地出现在水下高压空化射流。生长、脱落和泡沫的崩溃过程腔有一段时间,和把握泡沫脱落特征有助于提高飞机的性能。泵压力等参数,目前流量和喷嘴结构已经证实有一个很大的影响的进化时期泡沫。在这篇文章中,灰度的平均值为2000灰色图像提取的图像处理方法,如图10。根据光谱图,主要的灰度平均值是1040赫兹的频率,表明整体泡沫增长时期,脱落,崩溃是1040赫兹。这是符合实验结果的Soyama et al。24]。在他们的研究中,发现水下高压喷射的开发频率为0.5 2千赫通过监测腔的长度。

图11显示了三种不同喷嘴的泡沫图像的频谱在不同压力。可以看出,在不同的情况下,有一个明显的主要频率FFT变换,得到的频谱和光谱的峰值主要分布在0.5和2千赫。与泵压力的增加,泡沫的发展时期每个喷嘴所产生的长时间,和频率明显减少。与喷嘴出口发散角的增加,泡沫的发展时期略有缩短和频率略有增加。Hutli [27)提出了一个经验公式之间的关系过渡时期的水下空化射流泵压力: ,在哪里P₁上游泵压力和吗k由喷嘴几何系数决定。用本文的统计结果的公式,它是发现,当几何系数k= 0.0015,实验值与经验计算值一致,但仍有一些错误。通过分析,发现泵压力有很大的影响在空化射流的开发周期,以及喷嘴出口角对发展时期有一个小的影响。

3.4。空化射流的冲击载荷

自空化射流通常申请高影响性能、冲击强度的负载引起的泡沫崩溃被研究者关注。侵蚀的研究测试和空化喷丸已经表明,影响性能会受到不同因素的影响,例如,空化数,对峙距离目标,喷嘴的几何形状。在这个研究中,产生的空化射流冲击性能与上述三个喷嘴。压力冲击下四个不同的对峙距离和两种不同空化数记录的数据采集系统。图12显示了原始信号的信号的空化射流影响以及提取的峰值代表空化气泡的冲击载荷。它可以找到图的振幅峰值变化从0到1 MPa左右,因为敏感的传感器表面设置为1毫米隐藏式侵犯相关表面这袜子墙不能破坏传感器。事实上,压力传感器检测到的压力是一个area-averaged值敏感区域直径5毫米,而泡沫的最小直径的最大直径1毫米在崩溃期间可以小于200μm。它推断泡沫崩溃时的压力可以达到超过600 MPa,这是高于大多数铝合金的疲劳应力。从压力分布,它可以发现一些负面山峰始终遵循积极的高峰,这是由于传感器的响。让-皮埃尔•法郎et al。29日)也遇到了这个问题并解决它通过设置一个柜而对抗压力的峰值。在当前的研究中,数据收集器的采样频率设置为250千赫;统计上的铃声影响不大的山峰和不使用储物柜而对抗峰值的影响。

数据13和14显示压力值的数密度和峰高度在不同的操作条件下,500000(2)记录的数据点进行了分析。比较各种对峙分布的分布,喷嘴几何图形,和空化数,它可以发现,一般来说,对峙距离有很大影响空化射流的影响分布在目标高度集中区域的密度曲线;喷嘴几何影响区域主要用于密集分布的影响。数密度曲线有一个高斯分布的形状,之间的峰位于600 kPa和1200 kPa的案例分析研究。在空化数从0.0124下降到0.0099,峰值和冲击频率略有增加,峰数密度分布的影响的趋势没有改变。在实验过程中,传感器的中心点是10毫米的轴喷气转向防止传感器过载。当喷嘴的发散角小(40°),数密度增加时,对峙的峰值距离增加45毫米到90毫米。这是因为该地区的空化气泡崩溃是分布在一个环形区域侵犯表面,对峙距离增加时,传感器的敏感区域的更多区域暴露在崩溃。40°喷嘴,泡沫对传感器的影响明显增加与对峙距离的增加,而对于发散角较大的喷嘴,趋势是一致的,但差异变得越来越小。为120°发散角的喷嘴,冲击载荷的数密度曲线只改变对峙距离时略有增加。 It can be inferred that the outlet geometry of the nozzle affects not only the cavitation generation but also the evolution and spatial distribution of the bubbles. For the nozzles with larger divergent angle, the velocity field diffuses faster as the main flow moves downstream which makes the bubbles distributed more evenly. For better application of the cavitation jet, the outlet shape of the nozzles as well as the stand-off distance from the target can be optimized according to the requirement of the application sites.

4所示。结论

在当前的研究中,高压水下空化射流的非定常特性研究了使用高速摄影。生长、脱落和崩溃的空化气泡。灰度图像分析方法用于图像灰度的空穴浓度相关。泵送压力的影响和喷嘴出口扩张角强度,稳定性和非定常空化的特点研究了飞机。研究结果如下:(1)空化数的泡沫强度的分布有很大的影响。随着泵压力的增加,长度,宽度,和空化云浓度显著增加,空化云的位置休息下游移动,和空化的开发和崩溃的频率显著下降。根据FDM的分析,在不同的泵压力,崩溃的位置主要发生在空泡云的屁股后的下游部分脱落。(2)convergent-divergent-type喷嘴的出口发散角对泡沫的发展也有影响。对于小发散角的喷嘴,可以获得较高的空化射流空化浓度,但生成的泡沫分布喷嘴只是集中在一个小喷嘴出口的地区。大发散角的喷嘴,气蚀能力大大削弱由于约束力不足在喷嘴出口流出。空化强度较低,分布范围相对较小。最后,发现存在一个最优值为40°、120°之间的发散角,所以淹没空化射流的空穴浓度可以达到的最高水平,宽空泡的分布地区。(3)产生的空泡云高压水下飞机不可避免地有一个脱落的现象。在每个脱落期,空化云的增长经历三个过程,脱落,崩溃。这个过程的频率是0.5 kHz和2 kHz之间。它的交流电频率远高于卤素灯的光源和泵柱塞的运动频率。可以判断,压力波动的频率与洪水喷气和自激振荡的液体通过喷嘴。(4)空化射流的冲击载荷主要受对峙距离喷嘴的侵犯的目标,而喷嘴出口几何影响性能也有影响。数量分布的影响峰侵犯表面中心区域附近的泡沫崩溃造成的飞机有一个高斯分布和峰值在600 kPa和1200 kPa之间的范围。空化射流的性能可以通过优化提高对峙距离和出口喷嘴的几何形状。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版工作。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(号。51679111,51409127,51579118),国家重点项目(没有研发项目。2017年yfc0403703)、PAPD江苏省六大人才高峰计划(没有。hyzb - 002),江苏重点研发项目项目(BE2017126号和BE2016319),江苏省自然科学基金(BK20161472号和BK20160521),常州计划(没有科学和技术支持。镇江CE20162004),重点研发项目项目(没有。SH2017049),江苏大学科研启动基金项目(没有。13 jdg105)。

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