(西南交通大學(xué)先進(jìn)驅(qū)動(dòng)節(jié)能技術(shù)教育部工程研究中心， 四川成都 610031)

引言

空化射流技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型水射流技術(shù)。液體在其靜止或運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因受環(huán)境和氣體分子運(yùn)動(dòng)的影響，會(huì)有一些氣體溶入，產(chǎn)生懸浮著氣相的微泡，稱(chēng)為“氣核”。當(dāng)液體中的壓力降到空氣分離壓以下時(shí)，溶解于液體中的氣體會(huì)迅速地分離而產(chǎn)生大量的氣泡，當(dāng)壓力繼續(xù)降低到該液體在此溫度下的飽和蒸氣壓以下時(shí)，除液體中所含氣體析出而形成氣泡外，液體本身還會(huì)劇烈地氣化沸騰，產(chǎn)生大量的氣泡。由于液體氣化和溶解氣體的游離是向著作為核的空泡內(nèi)進(jìn)行的，結(jié)果就形成充滿空氣和蒸氣的氣泡。當(dāng)蒸氣高速凝結(jié)和氣泡潰滅時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)便向空腔中心高速?zèng)_動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，結(jié)果使瞬時(shí)的局部壓力和局部溫度急劇上升，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為空化效應(yīng)。

空化射流在除銹、強(qiáng)化材料表面、油田等方面有廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)有許多研究者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究[1]。汪朝暉等[2]通過(guò)數(shù)值模擬的方法建立了自激振蕩脈沖噴嘴的空化模型，分析了空化射流與空氣介質(zhì)的相互影響。廖松等[3]分析了含中心體噴嘴的空化特性，通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同噴嘴參數(shù)組合下的空化效果。彭熾等[4]利用高速攝影技術(shù)研究了淹沒(méi)條件下空泡云的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。劉海霞等[5]研究了在淹沒(méi)條件下射流壓力對(duì)空蝕效果的影響，指出靶距與空蝕效果之間并非是線性關(guān)系，而是存在一個(gè)最佳距離。

目前，射流的空化效果主要通過(guò)赫姆霍茲噴嘴、自振脈沖空化噴嘴等特定的噴嘴結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。但是在非淹沒(méi)條件下，由上述噴嘴產(chǎn)生的空化現(xiàn)象主要存在于噴嘴內(nèi)部，當(dāng)射流離開(kāi)噴嘴以后，由于外部條件的改變，空化效應(yīng)無(wú)法維持，沒(méi)有充分利用到空化泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的能量。為了改善這一問(wèn)題，現(xiàn)有的解決方案是采用同軸套筒式噴嘴，在空化噴嘴外添加圓筒形套筒，向其中通入低壓水流，為空化射流提供人工淹沒(méi)環(huán)境[6]，但是，目前對(duì)于該種方案的研究還集中在數(shù)值模擬階段，少有與射流清洗能力相結(jié)合的試驗(yàn)，缺乏對(duì)其空化特性的完整描述。

為了讓噴嘴內(nèi)的空化效應(yīng)延伸到空化噴嘴外部，需要使射流在進(jìn)入大氣環(huán)境以后能夠保持其在噴嘴內(nèi)部形成的低壓條件?；谝陨纤悸罚狙芯吭O(shè)計(jì)了一種環(huán)流式空化噴嘴，在空化噴嘴出口處添加一圈環(huán)形射流，使其與空化射流同時(shí)離開(kāi)噴嘴。此時(shí)空化射流被環(huán)流所包裹，隔絕了與大氣的接觸，使空化射流的外部環(huán)境在離開(kāi)噴嘴以后沒(méi)有迅速發(fā)生變化，擴(kuò)大了空化發(fā)生的區(qū)域，使空化效應(yīng)在表面清洗方面得到有效的應(yīng)用。

1 空化流場(chǎng)的特性分析

影響射流空化初生的主要因素是射流的壓強(qiáng)和流速?？栈慕?jīng)典理論把液體的飽和蒸氣壓強(qiáng)視作液體發(fā)生空化的臨界壓強(qiáng)。定義空化數(shù)為：

(1)

式中,σ0—— 空化數(shù)

p0—— 空化初生時(shí)環(huán)境壓力

pv—— 飽和蒸氣壓

ρ0—— 液體密度

v0—— 空化初生時(shí)射流速度

當(dāng)σ0≤1的時(shí)候，判定發(fā)生空化。然而，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，使用空化數(shù)來(lái)判斷是否發(fā)生空化的適用條件很窄，僅當(dāng)液流收縮段截面積與液流下流截面積之比為1∶2，且計(jì)算出的σ0不大于0.5時(shí)才適用。所以在工程中并不將空化數(shù)作為產(chǎn)生空化的依據(jù)，而是以液體壓強(qiáng)是否低于其飽和蒸氣壓來(lái)判斷是否空化初生[7]。

噴嘴是影響射流空化的重要因素，空化射流大都依靠噴嘴的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。主流的幾種空化噴嘴類(lèi)型有風(fēng)琴管?chē)娮?、赫姆霍茲噴嘴、自振脈沖空化噴嘴等。此類(lèi)噴嘴的問(wèn)題在于空化區(qū)域只存在于噴嘴內(nèi)部中，射流從噴嘴出口進(jìn)入到空氣域，由于射流與空氣介質(zhì)發(fā)生卷吸作用，射流周?chē)鷫毫ψ優(yōu)榇髿鈮?，阻止了空泡的繼續(xù)生成，空化現(xiàn)象在射流進(jìn)入空氣以后急劇減弱至消失。這也是空化射流目前難以在非淹沒(méi)條件下應(yīng)用的原因，即空化現(xiàn)象只能發(fā)生在噴嘴內(nèi)部，無(wú)法隨射流到達(dá)被清洗表面。

擴(kuò)展空化區(qū)域，就要使射流離開(kāi)噴嘴以后還能夠維持發(fā)生空化時(shí)的條件。因此，本研究以角型噴嘴為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)空化噴嘴的基本結(jié)構(gòu)[8]，在空化射流出口處添加環(huán)形射流，其流場(chǎng)物理模型如圖1所示。

圖1 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

射流由入口1進(jìn)入，經(jīng)過(guò)喉管時(shí)射流橫截面積減小，流速上升，射流在到達(dá)腔室區(qū)域后產(chǎn)生壓降。根據(jù)空化理論，此時(shí)射流將在腔室內(nèi)發(fā)生空化。入口2為環(huán)流入口，由此形成環(huán)形射流，在出口處與空化射流匯合，環(huán)形射流包裹住空化射流，隔絕空氣與空化射流的接觸，維持空化射流的狀態(tài)。

2 空化特性仿真

2.1 流場(chǎng)建模

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是一種以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，對(duì)流體的傳質(zhì)傳熱等現(xiàn)象進(jìn)行分析的研究方法。本研究將對(duì)無(wú)環(huán)流噴嘴和環(huán)流噴嘴兩種流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，其網(wǎng)格模型如圖2、圖3所示。仿真區(qū)域包括噴嘴內(nèi)部流域及外部空氣域?？栈淞魅肟?入口1)與環(huán)形射流入口(入口2)均設(shè)置為壓力入口，出口設(shè)置為壓力出口，空氣域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓力。采用前處理軟件Mesh對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖2 無(wú)環(huán)流噴嘴流場(chǎng)網(wǎng)格模型

圖3 環(huán)流噴嘴流場(chǎng)網(wǎng)格模型

2.2 求解算法

流場(chǎng)仿真涉及到射流與空氣的相互作用、射流在腔體內(nèi)的空化效應(yīng)，因此選擇多相流中的Mixture模型[9]。Mixture模型求解的是混合物的動(dòng)量方程，考慮了界面?zhèn)鬟f特性及兩相間的擴(kuò)散和脈動(dòng)作用，主要用于模擬不同速度的多相流和具有強(qiáng)烈耦合的各向同性多相流。其連續(xù)性方程與動(dòng)量方程為：

(2)

(3)

式中，t—— 時(shí)間

v1—— 多相流速度

σ—— 表面張系數(shù)

ρ1—— 混合密度

k—— 界面曲率

p—— 多相流壓力

τ—— 黏性切應(yīng)力

n—— 指向表面S的法向單位矢量

δ(x) —— Dirac函數(shù)

湍流模型選擇RNGk-ε模型，其修正了湍動(dòng)黏度，體現(xiàn)了時(shí)均應(yīng)變率，相比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型更能有效地處理高應(yīng)變率的流動(dòng)?？栈Ｐ瓦x擇Zwart-Gerber-Belamri空化模型，其假設(shè)液體中的所有初始?xì)馀菥哂邢嗤某叽?，并結(jié)合Piso算法計(jì)算瞬態(tài)過(guò)程[10]。

2.3 空化特性分析

1) 4 MPa時(shí)流場(chǎng)空化特性

設(shè)置入口1的進(jìn)口壓力p1、入口2的進(jìn)口壓力p2均為4 MPa，出口壓力為大氣壓。經(jīng)求解計(jì)算以后，噴嘴流場(chǎng)的壓力云圖如圖4、圖5所示。由壓力云圖可知，當(dāng)射流進(jìn)入噴嘴腔體以后，在腔體中形成了一個(gè)低壓區(qū)域。在噴嘴出口處，環(huán)流噴嘴所形成的低壓區(qū)明顯大于無(wú)環(huán)流噴嘴在噴嘴出口處的低壓區(qū)。

圖4 無(wú)環(huán)流噴嘴壓力云圖

圖5 環(huán)流噴嘴壓力云圖

此時(shí)無(wú)環(huán)流噴嘴的水相及蒸氣相分布云圖，如圖6、圖7所示。射流在經(jīng)過(guò)喉管以后， 隨著射流壓力降低，噴嘴腔體內(nèi)發(fā)生空化現(xiàn)象。在空化射流進(jìn)入空氣域以后，周?chē)鷫毫ρ杆偕邽榇髿鈮毫?，射流的空化效?yīng)也迅速消失。

圖6 無(wú)環(huán)流噴嘴水相分布云圖

圖7 無(wú)環(huán)流噴嘴蒸氣相分布云圖

在噴嘴出口處添加環(huán)流后，空化射流的水相及蒸氣相分布云圖如圖8、圖9所示。環(huán)狀射流進(jìn)入空氣域以后，由于噴嘴腔體中的空化效應(yīng)，噴嘴出口處的壓力較低，導(dǎo)致環(huán)形射流被大氣壓力所擠壓，向流場(chǎng)軸線方向聚攏，形成一個(gè)錐形區(qū)域包裹住空化射流。阻斷了大氣與空化射流之間的接觸，使得空化射流周?chē)鷫毫](méi)有迅速上升為大氣壓力，射流的空化效應(yīng)繼續(xù)發(fā)生。從圖9可以看出，相比圖7，環(huán)流式空化噴嘴的空化區(qū)域在空氣域中得到了延伸。

圖8 環(huán)流噴嘴水相分布云圖

圖9 環(huán)流噴嘴蒸氣相分布云圖

提取流場(chǎng)軸線上的壓力與速度曲線，如圖10、圖11所示，其中橫軸d1為圖1中距入口1橫截面的距離。兩種流場(chǎng)在噴嘴內(nèi)部具有相似的速度曲線以及壓力曲線。射流在進(jìn)入喉管以后，由于射流截面突然減小，流速增加，導(dǎo)致射流在進(jìn)入噴嘴腔體以后壓力急劇下降。但是射流離開(kāi)噴嘴以后，無(wú)環(huán)流噴嘴軸線上的速度迅速下降，而環(huán)流流場(chǎng)軸線上的速度基本維持不變，與之對(duì)應(yīng)的是環(huán)流流場(chǎng)在出口處的壓力曲線低于無(wú)環(huán)流流場(chǎng)。

圖10 流場(chǎng)軸線上射流壓力曲線

圖11 流場(chǎng)軸線上射流速度曲線

2) 其他壓力條件下流場(chǎng)空化特性

計(jì)算不同環(huán)流壓力對(duì)射流空化效應(yīng)的影響。設(shè)置入口1的進(jìn)口壓力p1為4， 6， 8 MPa,計(jì)算入口2的進(jìn)口壓力p2為4， 6， 8 MPa以及無(wú)環(huán)流條件下的流場(chǎng)模型，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算以后，提取到沿流場(chǎng)軸線上氣相體積分?jǐn)?shù)N1變化曲線如圖12所示。在噴嘴出口處添加環(huán)流后，在不同的入口壓力下，空化射流的空化區(qū)域均向外延伸。從曲線的高度可以看出，添加環(huán)流后噴嘴內(nèi)部的空化程度更加劇烈。而隨著環(huán)流壓力的升高，噴嘴外部的空化區(qū)域向外延伸得更遠(yuǎn)。

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果顯示，射流在經(jīng)過(guò)喉管以后，由于流速上升，導(dǎo)致壓力下降，在噴嘴的空化腔體內(nèi)形成飽和蒸氣壓區(qū)域，射流在這個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)生空化。當(dāng)空化射流進(jìn)入到空氣以后，由于射流速度和周?chē)鷫毫蛧娮靸?nèi)部發(fā)生較大的差異，射流與空氣介質(zhì)發(fā)生相互作用，射流周?chē)膲毫τ娠柡驼魵鈮鹤優(yōu)榇髿鈮毫Γ瑢?dǎo)致進(jìn)入大氣環(huán)境以后射流的空化效應(yīng)無(wú)法維持。因此擴(kuò)展空化區(qū)域的關(guān)鍵就是使射流在進(jìn)入空氣以后仍然可以維持在噴嘴腔體中的狀態(tài)。在噴嘴出口處設(shè)置環(huán)形流道，由于噴嘴出口處存在低壓區(qū)，使環(huán)流向內(nèi)形成錐形區(qū)域包裹住空化射流，相當(dāng)于給射流提供了“壁面”，隔絕大氣環(huán)境對(duì)空化射流的影響?？栈淞髟陔x開(kāi)噴嘴以后仍然可以維持住噴嘴內(nèi)部的環(huán)境(壓強(qiáng)、流速)，使空化繼續(xù)發(fā)生。通過(guò)對(duì)不同環(huán)流進(jìn)口壓力的流場(chǎng)形態(tài)的比較，發(fā)現(xiàn)環(huán)流壓力越大，越能維持住空化射流在離開(kāi)噴嘴后的速度與壓強(qiáng)，保持空化射流的狀態(tài)不變，以此提高的空化效果。

3 環(huán)流空化噴嘴的試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 空化噴嘴結(jié)構(gòu)方案

基于CFD仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)環(huán)流式空化噴嘴，其原理結(jié)構(gòu)如圖13所示?？栈惑w兩端由噴嘴基座固定，基座徑向上設(shè)置有環(huán)流入口。其中噴嘴基座由鋁合金加工而成，空化腔體由于尺寸限制，采用100%材料密度填充的3D打印制作。

圖13 噴嘴結(jié)構(gòu)

射流經(jīng)由噴嘴基座上的空化射流入口進(jìn)入到空化腔體中，在經(jīng)過(guò)喉管時(shí)，主水流流速上升，在空化腔體內(nèi)形成壓降，產(chǎn)生空化。另一股水流經(jīng)過(guò)設(shè)置在基座徑向上的環(huán)流入口進(jìn)入到空化腔體與噴嘴基座之間的間隙，形成環(huán)形射流，在出口與來(lái)自空化腔體的空化射流匯合。

3.2 清洗試驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證環(huán)流式空化噴嘴的清洗效果，搭建空化射流試驗(yàn)平臺(tái)，由清洗機(jī)作為動(dòng)力源，試驗(yàn)裝置由空化噴嘴、管路、截止閥，被清洗對(duì)象以及清洗機(jī)組成，如圖14所示。為了使清洗效果明顯，選擇被測(cè)試對(duì)象為涂抹在不銹鋼上的油性筆涂層。空化射流入口壓力和環(huán)流入口壓力均為清洗機(jī)出口壓力，分別測(cè)試出口壓力為4， 6， 8 MPa時(shí)空化射流和普通射流對(duì)油性筆涂層的清洗效果。射流對(duì)油性筆涂層的清洗時(shí)間均為300 s，與噴嘴出口的距離分別為2， 6， 10 mm。

圖14 空化噴嘴試驗(yàn)裝置

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1) 4 MPa時(shí)射流清洗效果

在4 MPa時(shí)，空化噴嘴和普通噴嘴的射流形態(tài)如圖15、圖16所示，其流量分別為18.40， 15.24 L/min。由圖15可以看到，環(huán)形射流很好地包裹住了來(lái)自空化腔體的空化射流，在靠近出口處未出現(xiàn)明顯的發(fā)散現(xiàn)象。

圖15 4 MPa時(shí)空化射流形態(tài)

在2， 6， 10 mm處，空化射流對(duì)涂抹在不銹鋼上的油性筆涂層的清洗效果如圖17所示。在4 MPa 時(shí)，油性筆涂層僅在6 mm和4 mm有表面有被沖洗的痕跡。在清洗后的油性筆涂層表面，也無(wú)法觀察出射流打擊涂層表面的中心位置。

圖16 4 MPa時(shí)普通射流形態(tài)

圖17 4 MPa空化射流的清洗效果

普通噴嘴在清洗機(jī)出口壓力為4 MPa時(shí)的清洗效果如圖18所示。同等壓力條件下，從圖16可以看到，普通水射流的射流截面半徑比空化射流的截面半徑更小，因此前者的能量更加集中，對(duì)涂層表面的沖擊效果更強(qiáng)。在4 MPa時(shí)，普通噴嘴的清洗效果要好于空化噴嘴的，整個(gè)油性筆涂層都有被沖掉的痕跡。而空化射流雖然有空化效應(yīng)，可由于射流本身截面面積大，能量不集中，導(dǎo)致對(duì)涂層的清洗效果不明顯。

圖18 4 MPa普通射流的清洗效果

2) 6 MPa時(shí)射流清洗效果

將清洗機(jī)出口壓力提升到6 MPa，射流形態(tài)如圖19所示，流量為18.28 L/min?？梢钥闯鲈? MPa時(shí)，射流在噴嘴出口處有明顯朝軸線方向上的凹陷，這與圖10對(duì)流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果是相對(duì)應(yīng)的。

圖19 6 MPa時(shí)空化射流形態(tài)

在2， 6， 10 mm處，空化射流對(duì)涂層的清洗效果如圖20所示。由于壓力增強(qiáng)，射流的沖擊的能量更大，空化射流的清洗效果變得更好。從涂層到噴嘴出口的距離來(lái)看，在10 mm和6 mm處，整個(gè)涂層沿涂抹的方向的痕跡被清洗掉。當(dāng)時(shí)距離變?yōu)? mm時(shí)，油性筆涂層上出現(xiàn)了和噴嘴出口相同直徑的圓環(huán)，說(shuō)明在距噴嘴出口2 mm處，也就是射流空化區(qū)內(nèi)，隨著壓力的升高，空化射流對(duì)油性筆涂層的清洗效果發(fā)生了變化。

圖20 6 MPa空化射流的清洗效果

當(dāng)普通射流的壓力為6 MPa時(shí)，其流量為18.30 L/min，對(duì)油性筆涂層的清洗效果如圖21所示。與圖18相比，在距噴嘴出口2 mm和6 mm處出現(xiàn)了明顯的清洗中心。

圖21 6 MPa普通射流的清洗效果

從圖21中可以看出，在射流沖擊涂層的中心點(diǎn)處，其周?chē)耐繉颖粵_掉，呈現(xiàn)輻射狀的清洗痕跡。而中心點(diǎn)處的涂層卻保留了下來(lái)，形成了一個(gè)圓點(diǎn)。

3) 8 MPa時(shí)射流清洗效果

將清洗機(jī)出口壓力提升到8 MPa，空化射流形態(tài)如圖22所示，流量為17.06 L/min。噴嘴出口處射流朝軸線方向凹陷，與仿真結(jié)果相對(duì)應(yīng)。在2， 6， 10 mm處，空化射流對(duì)油性筆涂層清洗的效果如圖23所示。在8 MPa的壓力下，可以看到射流對(duì)涂層的清洗效果有了明顯的變化。在10 mm處，整個(gè)涂層表面都有被清洗的痕跡。而在距噴嘴出口2 mm處，空化射流的清洗特征發(fā)生了變化，整個(gè)油性筆涂層的中心部分被完全清洗掉，但是其四周部分則保留了下來(lái)，這與普通射流的清洗效果是截然不同的。

圖22 8 MPa時(shí)空化射流形態(tài)

圖23 8 MPa空化射流的清洗效果

普通射流的壓力為8 MPa時(shí)，流量為18.25 L/min，對(duì)油性筆涂層的清洗效果如圖24所示。相對(duì)圖21，在2～10 mm的距離區(qū)間內(nèi)，8 MPa的普通射流在射流中心點(diǎn)處留下的涂層圓點(diǎn)更加明顯。

圖24 8 MPa 普通射流的清洗效果

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)表明，普通射流對(duì)油性筆涂層的清洗能力，并非由射流對(duì)涂層的沖擊力決定，而是由射流沖擊到涂層上以后，沿涂層表面擴(kuò)散時(shí)對(duì)油性筆涂層產(chǎn)生的剪切力決定的。在射流打擊到涂層表面時(shí)，射流中心點(diǎn)處的流速為0，也就沒(méi)有對(duì)涂層表面的剪切效果，導(dǎo)致射流沖擊點(diǎn)處涂層沒(méi)有被沖掉[12]。而從空化射流的仿真結(jié)果可以看到，在噴嘴出口2 mm處，涂層處于射流的空化區(qū)域，由清洗效果可知，此處空化射流對(duì)油性筆涂層有著不同于普通射流的清洗原理。

3.4 空化射流沖擊力試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證空化噴嘴出口處射流的特性，以及空化射流的相關(guān)力學(xué)特性，分別在距離噴嘴出口2， 4， 6， 8， 10 mm處設(shè)置材料為亞克力板、垂直于噴嘴出口處的靶件，使用瑞爾特T908拉壓雙向測(cè)力傳感器測(cè)量空化射流對(duì)靶件的作用力[11]。分別設(shè)置清洗機(jī)出口壓力為4， 6， 8 MPa，測(cè)得射流對(duì)靶件的作用力F的曲線如圖25所示，其中橫軸d2為距噴嘴出口的距離。

圖25 射流對(duì)靶件作用力曲線

在距離噴嘴出口2～10 mm的區(qū)間內(nèi)，普通射流對(duì)靶件的作用力是一條平緩的曲線。射流壓力越高，靶件受到的射流的作用力越大。而在相同區(qū)間內(nèi)，壓力為6 MPa時(shí)的空化射流對(duì)靶件的作用力不再是一條平緩的曲線。在距噴嘴出口 2～8 mm 的區(qū)間內(nèi)，壓力更高的6 MPa 空化射流對(duì)靶件的作用力反而比4 MPa時(shí)的空化射流更小。且6 MPa空化射流的作用力曲線整體位于6 MPa普通射流下方。當(dāng)壓力升高到8 MPa時(shí)，在8 mm以內(nèi)的區(qū)間內(nèi)，其空化射流對(duì)靶件的作用力曲線是最低的，距噴嘴出口為2 mm 時(shí)，靶件所受到的作用力不再是向外的沖力而是朝內(nèi)的吸力

由圖25可以看出，同等壓力條件下，空化射流對(duì)靶件的作用力曲線均處在普通射流下方。從數(shù)值模擬以及對(duì)涂層的清洗效果來(lái)看，環(huán)流式空化射流在噴嘴出口處會(huì)形成一個(gè)空化負(fù)壓區(qū)域，這個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的低壓對(duì)靶件產(chǎn)生了吸附力，抵消了一部分射流對(duì)靶件的沖擊力，導(dǎo)致測(cè)量出的空化射流對(duì)靶件的作用力曲線要小于對(duì)靶件沒(méi)有吸附效果的普通射流。6 MPa時(shí)空化射流的空化效應(yīng)比4 MPa時(shí)更強(qiáng)，因此測(cè)量出的靶件的作用力曲線更低。而當(dāng)壓力提高到8 MPa時(shí)空化射流的空化效應(yīng)更強(qiáng)，負(fù)壓區(qū)域?qū)Π屑奈搅σ哺用黠@，完全抵消掉了射流對(duì)靶件的沖擊力，導(dǎo)致測(cè)量出空化射流對(duì)靶件的作用力表現(xiàn)為吸附力。

4 清洗效果分析

普通水射流打擊到涂層表面后沿表面散開(kāi)，對(duì)涂層表面產(chǎn)生剪切力，留下輻射狀的清洗痕跡。而通過(guò)空化射流對(duì)涂層的清洗試驗(yàn)，并結(jié)合空化射流對(duì)靶件表面的打擊力曲線可知，當(dāng)油性筆涂層靠近空化噴嘴時(shí)，噴嘴出口附近生成了低壓區(qū)，涂層表面處于空化發(fā)生區(qū)內(nèi)?？栈淞鞑粩嗟厣蓺馀輰?duì)涂層產(chǎn)生沖擊，涂層表面受到的是來(lái)自低壓空化區(qū)的吸力，導(dǎo)致涂層在噴嘴出口附近的清洗效果表現(xiàn)為涂層中心區(qū)域被清洗掉。而周?chē)耐繉佑捎谖刺幵诘蛪嚎栈瘏^(qū)域，射流對(duì)周?chē)繉颖砻嫖串a(chǎn)生足夠的作用效果，從而得以保存下來(lái)。

圖26 8 MPa空化射流出口橫截面處參數(shù)曲線

從不同距離下空化射流對(duì)靶件表面油性筆涂層的清洗效果來(lái)看，距離噴嘴越近，其噴嘴效果最好。但如圖26所示，從8 MPa空化射流的仿真結(jié)果可以看出，噴嘴出口外圓形截面上各相體積分?jǐn)?shù)N與距離并非呈線性關(guān)系。圓形截面上平均氣相體積分?jǐn)?shù)N2先升高后下降，在距噴嘴出口6 mm處達(dá)到最大值，水相平均體積分?jǐn)?shù)N3的最大值在噴嘴出口處，最大射流速度vmax在離開(kāi)噴嘴以后隨著距離的增長(zhǎng)迅速下降。因此，空化射流對(duì)表面的清洗效果并非僅由射流空化程度的強(qiáng)弱來(lái)決定。對(duì)于空化射流來(lái)說(shuō)，水射流中未空化部分的體積分?jǐn)?shù)，空化程度的強(qiáng)弱以及射流本身速度的大小都是決定其最終清洗效果的影響因子。

5 結(jié)論

(1) 當(dāng)射流通過(guò)喉管時(shí)，由于截面面積突然減小，使流速提升，液體壓力降低。根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，此時(shí)射流會(huì)在腔體中發(fā)生空化，隨著空化射流離開(kāi)噴嘴出口，射流與大氣介質(zhì)發(fā)生相互作用，空化現(xiàn)象無(wú)法維持；

(2) 環(huán)流的存在使射流的空化效應(yīng)在噴嘴外部繼續(xù)存在。在噴嘴出口處添加環(huán)形射流后，由于出口附近存在低壓區(qū)，環(huán)流被大氣壓力朝軸線擠壓，形成錐形區(qū)域包裹住空化射流，部分隔絕了在噴嘴外部大氣介質(zhì)與空化射流的相互作用，使空化得以繼續(xù)發(fā)生。噴嘴內(nèi)部的空化效應(yīng)也得到提升，隨著環(huán)流壓力的增大，噴嘴出口處的低壓區(qū)域也向外延伸；

(3) 空化射流和普通水射流對(duì)油性筆涂層的清洗原理不同。普通水射流沖擊到涂層后，沿涂層表面散開(kāi)，依靠射流在表面的剪切力來(lái)清洗掉涂層。而空化射流沖擊涂層表面時(shí)，涂層受到的是來(lái)自低壓空化區(qū)的吸附力，以及空化氣泡不斷破裂產(chǎn)生的沖擊。從而造成涂層中心處呈現(xiàn)出圓形的清洗痕跡；

(4) 通過(guò)測(cè)量空化射流對(duì)靶件的沖擊力，表明空化射流對(duì)靶件的打擊力并非與距離呈單調(diào)遞減關(guān)系。由仿真并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證可知，發(fā)現(xiàn)空化射流的清洗效果不僅與空化程度的強(qiáng)弱有關(guān)，也與射流速度，未空化部分的體積分?jǐn)?shù)等密切相關(guān)。