空氣-水兩相射流的沖蝕特性及機理研究

《空氣-水兩相射流的沖蝕特性及機理研究》是依託西安交通大學，由吳偉烽擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：空氣-水兩相射流的沖蝕特性及機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：吳偉烽
• 依託單位：西安交通大學

項目摘要

空化泡潰滅時，其壁面會向內形成一穿透空泡的微射流，導致局部高溫高壓，從而對周圍物體造成破壞或損傷，這稱為空蝕。因此，空化射流可用於物料清洗及材料切割。有趣的是，水中的空氣泡破裂時同樣可以形成微射流，這表明空氣-水兩相射流可能同樣具有沖蝕能力。已有相關的試驗現象證明兩相射流在某些工況下具有與空化射流接近甚至更強的沖蝕能力。申請人對水槍的研究也發現採用空氣-水兩相射流能比純水射流節水30%-50%。然而，到目前為止，這一現象並未引起人們的重視，尚未有人對空氣-水兩相射流的沖蝕特性進行系統研究。與空化射流必須達到一定工作壓力相比，空氣-水兩相射流具有明顯的優勢，因為在任何工作壓力下水射流中都能引入空氣形成兩相射流。本項目首次對空氣-水兩相射流的沖蝕特性和機理進行系統研究，揭示兩相射流沖蝕作用的特性與基本原理，豐富兩相射流理論，並促進水射流清洗、切割技術的發展。

結題摘要

實驗證實兩相射流的具有比純水射流更強的沖蝕能力，然而其機理卻仍不明確。本項目旨在研究兩相射流的沖蝕特性及其機理。揭示兩相射流的沖蝕機理關鍵在於沖蝕壓力脈動和物料破損過程，以及沖蝕過程中的氣泡行為及其影響的研究。本項目首先對兩相射流中的氣泡直徑進行了測試，採用了淹沒射流的方法測試發現兩相射流中氣泡的直徑的範圍為0.17mm以內。根據測試獲得的氣泡直徑，展開了兩相射流沖蝕過程中氣泡行為的研究，採用VOF方法模擬了兩相射流垂直衝擊壁面過程中氣泡的破裂行為。結果表明沿射流方向即氣泡移動方向，氣泡的前、後表面向內凹陷，在距離壁面還有數倍於氣泡直徑的位置發生接觸（撞擊）、破裂，形成一個或數個環狀氣泡，繼而這些環狀氣泡很快破裂成數個氣泡，小氣泡在接近壁面區域沿流線離開沖蝕區。基於前述研究，作者提出兩相射流具有更大壓力脈動的原因是氣泡破裂，即由氣泡破裂時前後液面的撞擊引起的水錘壓力傳遞至被沖蝕表面引起的，據此分析了壓力脈動的表達式組成，並用數值計算的結果擬合得出了沖蝕壓力脈動的計算公式。以噴射器為核心，利用高壓水泵提供的高壓水射流抽吸空氣形成兩相射流的原理，設計並搭建了沖蝕壓力脈動試驗台，通過兩相射流直接衝擊感測器膜片測試其平均沖蝕壓力，測試了含氣率、沖蝕距離等參數對沖蝕壓力脈動的影響。在實驗參數範圍內，含氣率的增加使沖蝕壓力脈動增強了。對沖蝕特性進行了研究，發現存在最優距離和含氣率使沖蝕效果最佳。上述研究證實了兩相射流的沖蝕壓力脈動高於單相射流，初步解釋了兩相射流的氣泡破裂行為及沖蝕壓力脈動的機理，為兩相射流的進一步研究指明了研究方向並提供了基礎。