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自激振蕩磨料射流是在自激振蕩脈沖射流和混合磨料射流基礎(chǔ)上，提出的新型射流。為此，對(duì)自激振蕩磨料射流噴嘴的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了脈沖頻率和幅值等參數(shù)對(duì)磨粒加速效果的影響。根據(jù)初步研究表明，磨粒速度受脈沖頻率和幅度影響很大，磨粒速度可超過(guò)前混合磨料射流中磨粒的速度，最大鉆孔速度比前混合磨料射流提高41%。這一成果有望用于堅(jiān)硬物料的切割和特種加工、石油鉆井、大洋采礦、難采礦體的開采、堅(jiān)硬巖石巷道（遂道）掘進(jìn)、表面清洗等領(lǐng)域。
從本世紀(jì)60年代開始，各國(guó)專家對(duì)脈沖水射流進(jìn)行了大量的理論探討和試驗(yàn)研究，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于石油鉆井、表面清洗等場(chǎng)合。脈沖水射流分阻斷式、擠壓沖擊式和激勵(lì)式三種類型，其中自激振蕩脈沖射流最有發(fā)展前途。自激振蕩脈沖射流是利用射流的不穩(wěn)定流動(dòng)特性，通過(guò)調(diào)整連續(xù)水射流的流動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)射流的渦量擾動(dòng)進(jìn)行閉環(huán)反饋和放大，將連續(xù)射流改變?yōu)閴毫γ}動(dòng)的沖擊式射流，射流作用在靶體材料上的力為按一定頻率周期性變化的高頻沖擊載荷。試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，這種沖擊力是連續(xù)水射流滯止壓力的(1.5～2.5)倍，大大地提高了對(duì)靶體材料的沖蝕破壞作用。80年代后期，我國(guó)石油工業(yè)中采用自激振蕩脈沖射流噴嘴的牙輪鉆頭，在相同條件下可提高油井鉆速(15～50)%，提高鉆頭進(jìn)尺(10～15)%，每只噴嘴節(jié)省直接鉆井成本為(1.40～2.5)萬(wàn)元。
80年代出現(xiàn)了磨料射流，磨料射流對(duì)靶體材料的沖蝕和切割性能大幅度提高，其中前混合磨料射流的切割效果尤為顯著，系統(tǒng)壓力可降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
自激振蕩磨料射流（自激振蕩脈沖射流和混合磨料射流相結(jié)合）的研究成果：射流中磨粒的最大速度提高了2.5倍，卷吸能力提高1倍，磨料粒子能夠進(jìn)入射流束中心，與連續(xù)磨料射流相比切割速度提高2倍，大大地提高了射流的工作能力。
眾所周知，后混合磨料射流的切割能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于前混合磨料射流，為了進(jìn)一步提高射流的切割和沖蝕效果，我公司研制一種自激振蕩脈沖射流和前混合磨料射流相結(jié)合而形成的新型射流——自激振蕩磨料射流。
1 自激振蕩磨料射流噴嘴的結(jié)構(gòu)及工作原理
圖1所示為自激振蕩磨料射流噴嘴實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖。自激振蕩磨料射流噴嘴，主要由前噴嘴1、過(guò)渡體2、腔體3和后噴嘴4等組成。
1-前噴嘴；2-過(guò)渡體；3-腔體；4-后噴嘴
圖1 自激振蕩磨料射流噴嘴簡(jiǎn)圖
自激振蕩磨料射流噴嘴工作原理類似一個(gè)Helmhotz振蕩器。從前噴嘴噴出的高速磨料射流束在振蕩腔內(nèi)的氣體作用下，表面產(chǎn)生擾動(dòng)，形成一連串渦環(huán)，渦環(huán)撞擊后噴嘴碰撞壁時(shí)產(chǎn)生壓力脈沖。壓力脈沖一方面使渦環(huán)前方的流體加速，另一方面使渦環(huán)后面的流體減速。
壓力沖擊波沿射流相反方向以聲速傳播至前噴嘴時(shí)，與前噴嘴出口壁相撞再次形成壓力脈沖，這個(gè)壓力脈沖一方面引起前噴嘴內(nèi)流體壓力振蕩，誘發(fā)產(chǎn)生新的渦旋，另一方面又沿射流向后傳播。若反射波正好與某渦旋同時(shí)到達(dá)后噴嘴碰撞壁時(shí)，碰撞而產(chǎn)生的壓力脈沖得到加強(qiáng)。如此循環(huán)往復(fù)，構(gòu)成正反饋閉合回路，使渦旋放大形成大渦結(jié)構(gòu)。振蕩腔內(nèi)真空度變化規(guī)律與振蕩腔結(jié)構(gòu)尺寸、渦旋頻率和幅度有直接關(guān)系，振蕩腔結(jié)構(gòu)尺寸一定時(shí)就具有一定的固有頻率，對(duì)渦環(huán)頻率進(jìn)行選擇性放大，渦環(huán)頻率與振蕩腔自振頻率接近時(shí)，渦旋得到放大，造成射流壓力和速度大幅度脈動(dòng)，形成強(qiáng)烈的脈沖射流。
磨料在脈沖射流狀態(tài)下的能量交換和加速效果優(yōu)于普通磨料射流，磨料隨水一起脈動(dòng)（兩者速度不同）并獲得高于從前噴嘴出來(lái)的射流的速度，從而降低射流的比能耗，提高射流的沖蝕效果。
2 自激振蕩磨料射流噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)確定
自激振蕩磨料射流屬于多維、多相、介質(zhì)的瞬變流動(dòng)，流動(dòng)機(jī)理十分復(fù)雜。計(jì)算渦環(huán)產(chǎn)生頻率和振蕩腔頻率時(shí)，假設(shè)：
1) 磨料射流束在振蕩腔內(nèi)只有壓力脈沖變化，密度、速度、磨料濃度不變；
2) 振蕩腔內(nèi)的磨料射流為軸對(duì)稱流動(dòng)，產(chǎn)生的渦為渦環(huán)；
3) 忽略噴嘴各零部件加工誤差。
射流表面剪切層不穩(wěn)定性產(chǎn)生的渦環(huán)頻率f［3-6］為
(1)
式中，f——渦環(huán)產(chǎn)生頻率；S——Strouhal數(shù)，S=0.3～0.5;u0——射流速度；d1——前噴嘴直徑。
壓力波在前、后噴嘴之間的射流束中來(lái)回振蕩，振蕩腔長(zhǎng)度滿足下式時(shí)，壓力波在射流內(nèi)就形成諧振
(2)
式中，L——振蕩腔長(zhǎng)度；N——振蕩腔內(nèi)渦環(huán)數(shù)；M——射流Mach數(shù)；M=u0/c；c——壓力波在振蕩腔內(nèi)磨料射流束中的傳播速度，其值遠(yuǎn)低于固液均勻混合介質(zhì)的波速。固液兩相介質(zhì)波速為；KL——水的體積彈性模量；ρ——固液混合物的密度；ρ=ρs.Cv+ρL.(1-Cv)；Cv——磨料在固液混合物中的體積百分比；ρs、ρL——分別為磨粒、水的密度。
3 振蕩射流中的磨粒速度
自激振蕩磨料射流中，磨粒的加速機(jī)理十分復(fù)雜，影響因素很多，但磨料射流的脈沖頻率和幅度對(duì)磨粒速度影響最大。本文僅研究射流進(jìn)入后噴嘴以后，單個(gè)磨粒在速度變化的流體場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為簡(jiǎn)便起見，不計(jì)磨料射流進(jìn)入后噴嘴后的密度、濃度、熱量變化并忽略磨料射流進(jìn)入后噴嘴的能量損失，忽略磨粒之間的相互作用及不規(guī)則性的影響。
磨料射流進(jìn)入后，噴嘴后產(chǎn)生脈沖振蕩，磨料在脈動(dòng)振蕩的水介質(zhì)中速度發(fā)生變化。水速u可展開成富氏級(jí)數(shù)
?。ㄆ渲?span>i=1,2,3,…) (3)
式中,Ai，Bi——第i階最大振動(dòng)幅值，為常數(shù)；ω——振動(dòng)角頻率ω=2πf；ψi,φi——第i階初相位。
若考慮一階低頻主振蕩，并取正弦變化，則上式簡(jiǎn)化為
(4)
磨粒在水介質(zhì)中的受力僅考慮磨粒慣性力和與流體介質(zhì)間的摩擦力，根據(jù)磨粒動(dòng)力方程可得磨料速度的近似微分表達(dá)式
(5)
其中
式中，τv——顆粒速度松弛時(shí)間；ds——磨粒直徑；u——固液混合介質(zhì)粘度，采用Einstein計(jì)算式u=uL(1+2.5Cv)；uL--水粘度；Res——磨粒的數(shù)，。
數(shù)值求解式(4)、(5)可得到磨粒速度的變化規(guī)律，如圖2～4所示。計(jì)算參數(shù)：泵壓10MPa,純水脈沖幅度為平均射流速度的0.4倍，水密度1000kg/m3，河砂密度2500kg/m3。
(1-u;2-50;3-500Hz;4-2000)
圖2 粒速隨時(shí)間的變化(粒徑：1mm）
(粒徑:1-0.15;2-0.5;3-1;4-2)
圖3 最大粒速隨頻率的變化
(脈沖頻率:1-50；2-500；3-2000)
圖4 最大粒速隨粒徑的變化
圖2所示，磨粒速度隨射流脈沖振蕩而變化，速度變化滯后一相位角。圖3所示，脈沖頻率越高，磨料加速效果越差。對(duì)于1mm的磨粒，脈動(dòng)頻率50Hz時(shí)，最大粒速為平均射流速度的1.375倍，頻率為500Hz時(shí)，其為1.287倍，頻率為2000Hz時(shí)，其為1.15倍。圖4所示，粒徑越小，磨料加速效果越好。脈沖頻率500Hz時(shí)，粒徑0.15mm的磨粒最大速度為平均射流速度的1.369倍；粒徑為0.5mm時(shí)，則為1.328倍；粒徑為1mm時(shí)，則為1.287倍，粒徑2mm時(shí)為1.225倍。因此,采用合理的脈沖頻率和粒徑可獲得較理想的磨粒加速效果。
4 試驗(yàn)及結(jié)果分析
圖5所示為自激振蕩磨料射流試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖。為了消除高壓泵振動(dòng)及管內(nèi)流體振蕩造成的影響，在高壓回路中旁接了的一個(gè)12L的高壓罐。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)工作時(shí)在噴嘴出口處壓力十分穩(wěn)定。
1-泵；2-軟管；3～8,12～14-閥；9-壓力表
10-自激振蕩磨料射流噴嘴 11-高壓罐；15-磨料罐
圖5 自激振蕩磨料射流試驗(yàn)系統(tǒng)
試件試驗(yàn)工作條件：泵壓5MPa，d1=2.2mm，后噴嘴直徑3mm，腔徑18mm，磨料：#100河砂，供料量1.5kg/min，靶體：灰?guī)r，鉆孔時(shí)間120s，靶距20mm。
圖6為鉆孔后靶體試件，圖7所示為自激振蕩磨料射流鉆孔試驗(yàn)曲線。
圖6 鉆孔后石灰石
●前混合磨料射流
○自激振蕩磨料射流
圖7 孔深與腔長(zhǎng)的關(guān)系
從圖7可以看出，當(dāng)振蕩腔長(zhǎng)度與前噴嘴直徑之比L/d1=(2.27～7.73)時(shí)，鉆孔深度為前混合磨料射流的(1.15～1.41)倍，L/d1=5.68時(shí)比值最大為1.41倍。
自激振蕩磨料射流在小靶距下切槽寬度和鉆孔直徑都小于前混合磨料射流，大靶距下切槽寬度和鉆孔直徑都遠(yuǎn)大于前混合磨料射流。
5 初步結(jié)論
自激振蕩磨料射流噴嘴的特點(diǎn)和工作原理，初步給出了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和在振蕩射流中磨粒速度的表達(dá)式。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，磨粒速度受振蕩頻率和幅度影響很大，磨料越細(xì)、頻率越低，磨粒加速效果越好。初步試驗(yàn)結(jié)果表明，自激振蕩磨料射流鉆孔深度優(yōu)于前混合磨料射流，L/d1=5.68時(shí)，最大鉆孔速度提高41%，顯示了自激振蕩磨料射流優(yōu)越性。
自激振蕩磨料射流是一種十分有應(yīng)用前景的新型射流，有望用于石油鉆井、大洋采礦、難采礦體的開采、堅(jiān)硬巖石巷道（遂道）的掘進(jìn)、設(shè)備表面清洗、及對(duì)堅(jiān)硬的金屬及非金屬材料進(jìn)行切割和特種加工等場(chǎng)合。
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