1.高壓射流沖擊剛壁的流場分布
高壓射流清理材料表面過程的流場按其流動(dòng)性分成3個(gè)區(qū)域,自由射流區(qū)、沖擊區(qū)和壁面射流區(qū),自由射流區(qū)內(nèi),射流受壁面的影響非常小,因此可以認(rèn)為該區(qū)域的流動(dòng)性與自由射流相同,在沖擊區(qū)射流急速改變方向,由軸向流動(dòng)變?yōu)閺较蛄鲃?dòng),并且存在極大的壓力梯度。該區(qū)域是引起壁面發(fā)生彈塑性變形,甚至塑性去除、脆性去除或斷裂的集中區(qū)域。壁面射流區(qū)的流動(dòng)速度減弱,而且相對(duì)平穩(wěn),因此一般不會(huì)發(fā)生避免材料變形或去除。
2.高壓水射流試驗(yàn)系統(tǒng)
為研究高壓水射流與高壓磨料射流對(duì)剛壁沖擊力的分布規(guī)律,設(shè)計(jì)了高壓水射流測力系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)包括高壓射流系統(tǒng)、測力系統(tǒng)與電控系統(tǒng)3個(gè)部分。高壓射流系統(tǒng)由高壓栓塞泵、水箱、過濾器、調(diào)節(jié)閥、單向閥、壓力表、節(jié)流閥、溢流閥、噴頭等組成:測力系統(tǒng)由測力臺(tái)、測力傳感器、數(shù)顯表、采集卡、PC端等組成,電控系統(tǒng)主要是通過變頻器對(duì)電機(jī)實(shí)施變頻控制。試驗(yàn)時(shí),把設(shè)置靶距參數(shù),選定測力臺(tái),開啟高壓射流系統(tǒng),通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)水壓至設(shè)定值,由PC端采集記錄工作臺(tái)下的沖擊力值。測力臺(tái)承受射流沖擊的面積為圓形,由N個(gè)圓盤構(gòu)成,按照面積從小到大進(jìn)行編號(hào),其直徑為 7(N+1)mm,N∈(1,2…21),由標(biāo)準(zhǔn)1kg砝碼對(duì)照數(shù)顯表進(jìn)行標(biāo)定,利用兩相鄰圓盤的射流沖擊力的差值,確定其各階段沖擊力值。
3.射流沖擊剛壁的壓力分布
選定140mm靶距,下圖為試驗(yàn)獲得的在不同系統(tǒng)壓力下純水射流和磨料射流沖擊剛壁壓力隨徑向距離變化關(guān)系(多次試驗(yàn)的平均值)由圖可知,隨徑向距離增加,在1階沖擊力值(偏離中心位置7mm)后,沖擊壓力急速降低,是一非單調(diào)遞減的階梯函數(shù),連接各階中點(diǎn)位置,可視其為具非單調(diào)負(fù)指數(shù)下降規(guī)律(負(fù)指數(shù)函數(shù)和低幅諧波函數(shù)的疊加),而非切割小口徑噴嘴射流形成的近似高斯分布規(guī)律。壓力急速下降的負(fù)指數(shù)關(guān)系是由于射流在沖擊區(qū)沿徑向改變方向后射流速度的耗散,導(dǎo)致非單調(diào)下降的低幅諧波變化尚待進(jìn)一步的理論和試驗(yàn)研究。系統(tǒng)壓力增加,射流壓力增加,呈正相關(guān)變化關(guān)系,但對(duì)射流壓力的總體分布規(guī)律影響很小,磨料射流呈除相應(yīng)的沖擊壓力增加外,其分布規(guī)律基本有純水射流一致。
4系統(tǒng)壓力和靶距對(duì)射流沖擊剛壁的影響
下圖給出了純水和磨料射流在不同系統(tǒng)工作壓力和靶距的情況下,最大沖擊壓力(中心位置)的比較。
在靶距不變的情況下,無論純水還是磨料射流嗎,其沖擊壓力與系統(tǒng)壓力呈正相關(guān),不同的是純水射流在靶距140mm時(shí),射流沖擊壓力明顯大于其余3個(gè)靶距(170mm,200mm,230mm)的沖擊壓力,且后3個(gè)靶距的沖擊壓力相近,而對(duì)于磨料射流,其沖擊壓力隨靶距增大,近似等速率降低,呈負(fù)相關(guān)變化。
5.磨料強(qiáng)化效果分析
磨料射流和純水射流的對(duì)比試驗(yàn)表明:在一定條件下,磨料的加入對(duì)射流沖擊壓力有顯著的強(qiáng)化效果,這是由于磨料射流為二相流沖擊,其密度遠(yuǎn)大于純水射流的緣故。V=(Pa-Pw)/Pw其中Pa為磨料射流沖壓力;Pw為純水射流沖擊壓力。
6總結(jié)
(1)建立了專用的射流測力工作臺(tái),利用不同直徑圓盤承受沖擊力的差值得出了純水和磨料射流沖擊剛壁的壓力分布,磨料射流除沖擊壓力顯著增加外,和純水射流具有相近的壓力分布,射流沖擊力隨徑向距離增加急速降低,是一非單調(diào)遞減階梯函數(shù)可視其為具非單調(diào)負(fù)指數(shù)下降規(guī)律,而非切割小口徑噴嘴射流形成高斯分布規(guī)律。
(2)對(duì)系統(tǒng)工作壓力和靶距對(duì)沖擊力的影響研究表明:在靶距不變的情況下,無論純水射流還是磨料射流,其中心(最高壓力)位置的沖擊壓力和系統(tǒng)壓力呈正相關(guān),純水射流在靶距140mm時(shí),沖擊壓力明顯大于其他3個(gè)靶距(170,200和230mm)的沖擊壓力;而對(duì)于磨料射流,沖擊壓力隨靶距增大,近似等速率降低,成負(fù)相關(guān)變化。
(3)磨料的加入對(duì)射流沖擊力有顯著得強(qiáng)化效果。這是由于磨料射流為兩相流沖擊,其密度遠(yuǎn)大于純水射流的緣故。系統(tǒng)壓力不大于50Mpa、靶距170mm和系統(tǒng)壓力大于50MPa、靶距200mm的情況,具有較高的強(qiáng)化系數(shù)。其中系統(tǒng)壓力45MPa、靶距170mm。系統(tǒng)壓力50MPa,靶距170mm和系統(tǒng)壓力55MPa、靶距200mm達(dá)到試驗(yàn)參數(shù)的最優(yōu)值,可以認(rèn)為沒在這些情況下具有較佳的能量利用率和射流功效。
(4)在絕大部分系統(tǒng)工作壓力區(qū)段,平均強(qiáng)化系數(shù)隨工作壓力增大而增大,其強(qiáng)化效能與系統(tǒng)工作壓力呈正相關(guān)關(guān)系。