高压水射流总复习

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1、发展中的高压水射流技术（32 学时）总复习第一章、水射流技术概论1.1、高压水射流的定义： 高压水射流是以水作为介质，通过高压发生设备使其获得巨大的能量后，用 一种特定的液体运动方式，从一定形状的喷咀（直径较小），以很高的速度喷射出 来的，具有一定的几何形状并能有一定的喷射距离的、能量高度集中的一股水流 （水团和水柱）。1.2、水射流系统的组成 高压水射流系统一般由压力源，喷嘴及其控制装置以及连接它们的高压管路 和其它附属装置所组成。1.3、高压水射流的分类（1）、按其喷射压力分：低压水射流：0.5 20MPa中压水射流：20 50MPa高压水射流：50 100MPa超高压水射流： 100MP

2、a（2）、按介质种类分 按射流本身介质来分，高压水射流又可分为单相和多相射流。1）单相水射流：水射流工作介质为单一介质。常见的纯水射流包括加有高分 子聚合物的水射流都属单相水射流。（如纯水射流、调制射流。）2） 多相水射流：水射流的介质含有两种以上的混合介质。 混有固体磨料微粒的磨料射流及混有微小冰块的冰水射流属固液两相射流， 混有空化泡的空化射流属气液两相射流。（如：磨料射流、浆体射流、空化射流、 冰粒射流、添加剂射流。）按射流介质与周围介质：1） 淹没水射流：水射流工作介质与环境介质相同。2） 非淹没射流：水射流工作介质与环境介质不同。（3）、按水射流的固壁条件分自由水射流：没有固壁约束下

3、的水射流。非自由水射流：有固壁约束下的水射流。(4) 、按水射流的发射方式分：(射流对物料的施载特性) 按射流对物料的施载特性，高压水射流又可分为连续射流、不连续射流和混 合射流三种。连续射流：其特点是该种水射流对物料施载，开始有一个短时的冲击峰值压 力，随之而来的是长期的稳定的较低的压力。(如摆振射流、旋转射流等。)这种射 流只有冲击峰值压以后的稳定压力才具有代表性。该种射流常用于切割和清洗物料。不连续射流：其对物料施载特点是产生一个只持续极短时间的压力峰值，这 时只有压力峰值才具有代表性。高速水滴冲击和脉冲水射流可以看作是冲击施载方 式。(如脉冲射流、间断射流等。)混合射流：介于上述两种极

4、端的施载方法之间的称做混合射流。其施载特点 是冲击压力和稳定压力相结合。含有空化气泡的连续水射流(空化射流)在其连续 稳定施载的同时伴随着空化作用的冲击施载(b)o具有一定长度的液柱间断射流， 其施载过程为一冲击压力加上一段稳定压力。稳定压力维持的时间与柱状液滴的速 度和大小有关(c)。1.4、高压水射流的优点(1) 、安全、卫生、节能，适合于特殊场合。(2) 、高压水射流的工作介质是水，不但丰富易取而且可以重复使用，且用 水量少、不污染环境。这就使得高压水射流技术与其他加工方式相比具有较明显的 竞争优势。(3) 、高压水射流对被切割材料的作用力集中在射流喷射方向上，其横向力 非常小。因而，可

5、以对质地较软的物料或多层复合材料进行精密切割或成形切割， 不仅消除了机械刀具切割时产生的切口变形或分层现象，而且可以得到非常平整的 切口，能降低能耗和材料消耗。(4) 、设备轻巧、灵便，高压水射流的工作压力虽然很高，但喷头的体积可 以做得很小，后座力小，移动方便，使其工作效率较高，便于实现自动控制和连续 作业。(5) 、高压水射流工作过的水还具有冲运切屑的功能，可不必设专门的排屑 装置，这对于钻孔和采矿等作业来说非常有利。(6) 、高压水射流系统体积不大，可做成移动式装备，进行远距离作业和野 外作业；而且通过调节高压水射流的压力及流量等工艺参数，可以方便地改变水射 流的工作条件，以适应不同的作

6、业要求。使得高压水射流具有广泛的用途，可适用 于各行各业。1.5、高压水射流技术的存在问题（1）、高压水射流的喷嘴虽然很小，但压力很高，所需功率较大，目前，在 很多工程作业中，水射流的能量还没有得到充分的利用，导致其切割破碎物料的比 能较高，严重扭响着水射流的经济效益。（2）、高压水射流切割时，水滴的飞溅，不仅影响工作环境的可视度，而且 浪费掉了一些能量，甚至在被加工物表面残留大量的水，增加了工作面的湿度。（3）、一些高压水射流部件的质量还不过关。如超高压泵、旋转密封、耐磨 喷嘴、高压管件等，这些问题不同程度地限制了高压水射流技术的进一步推广，也 是今后研究的方向。1.6、高压水射流的用途 高

7、压水射流主要用于切割、破碎和清洗除垢工作。1.7、高压水射流的水力参数 水力参数主要有水射流喷射压力、流量、（或喷嘴直径）、功率等。1.8、高压水射流的工艺参数（1）、靶距或射程：指的是射流喷嘴出口截面与工件表面之间的垂直距离， 通常用实验方法确定射流的合理靶距。（2）、进给速度：指射流喷嘴与工件之间的相对速度。两者之间的相对运动 有可能是平动、转动、摆动或振动、或是复合运动。例如钻孔，相对运动是轴向推 进与旋转的复合运动。进给速度通常也是通过实验方法确定，实际进给速度可通过 测量直接测出。（3）、切深或切宽：指射流一次切割工件所得出的侵深或切缝宽度，可以由 经验公式计算或直接测出。（4）、破

8、碎体积：即切深与切宽及进给速度的乘积。V = hbv cm 3 / s（5）、射流打击力：射流对工件打击力与靶距有关，可用半经验公式估算或 直接测出。（6）、比能：切割或破碎单位体积工件材料所消耗的能量，即：E=N/VkWh/m3比能是水射流工艺参数的综合质量指标，它反映了系统的合理性及技术水平。第二章、高压水射流基础知识2.1、水的物理状态水的物量状态有三种，液态、气态、固态。随着温度、压力等外部条件的变 化，水的物量状态将发生变化。2.2、水的溶气性：根椐亨利定律，溶解于水中的空气体积V与水的压力P成下比关系。gV = Kpg2.3、水的溶液性：(添加剂对水的力学性能的影响。) 在水中加入

9、微量的高分子长键型聚合物(添加剂)，可以改变水的力学特性。用这种低浓度添加剂作介质的水射流称作添加剂水射流。添加剂加入水中后，其聚合物大分子被水化，水介质将重新聚集排列，形成 一种粘弹性流体，这种粘弹性流体尽管其粘度增大，但能抑制湍流运动强度，从而 总的阻力损失反而会大幅度降低，即所谓的流动减阻作用。因此，添加剂水射流可以降低喷嘴内部的压力损失，提高喷嘴出口压力和水 射流的密集性，增大水射流的射程。2.4、喷咀的定义： 喷咀是一种具有一定长度，一般与喷杆相连接，用来发生比较密集性，较高速度，能量较集中，有特殊用途的射流的成形管段。2.5、喷咀形式：(1) 圆锥收敛型，(2) 圆锥收敛带圆柱出口

10、段型，(3) 流线型。2.6、喷咀的作用： 喷嘴是用来进行能量转换(高压高速),是将高压管路截面连续均匀地过渡到所需要的出口面积的元件，是高压水射流的执行部件。2.7、喷咀出口速度、流量、及喷咀出口直径的确定：(1)、喷咀出口速度：v =J2P/p1(2) 、喷咀出口流量： Q =匚兀d却4(3) 、喷咀出口直径：当压力源的压力和流量一定时，喷嘴直径可由下式确定：d 両4Qd = -兀v 、兀申、2p/p2.8、淹没水射流的结构和特性 水射流射入静止的水中后，由于水的粘性作用，水微团之间必然要发生动量交换。引起周围水的流动，使得射流直径不断扩大，射流本身速度不断衰减， 最后完全消失在周围的水中

11、，犹如被淹没一般。当水射流的速度很小时，周围的水会形成一个稳定的层流边界层，当射流 速度增大，雷诺数达到某一临界值之后，层流边界层将失稳发展成湍流，工程 中常见的水射流大多数为湍流射流。(1) 、内、外边界与边界层： 速度等于零的边界称为水射流的外边界；水射流速度保持初始速度的边界 为内边界。内外边界之间的区域为边界层。(2) 、极点： 射流外边界的交点称为极点，它是位于喷嘴内部的一个几何点。(3) 、水射流转折面：当内边界线与水射流轴线相交时，即水射流截面上只有轴线上的速度为v0 时，称这个射流截面为转折面或过渡面。在转折面之前，水射流轴心线上的速度保持为v不变，在转折面之后，水0射流轴心线

12、上的速度开始衰减。(4) 、射流初始段( v )：0喷嘴出口至转折面的距离为水射流的初始段。在初始段内部有一个速度保 持不变的核心区，它是以喷嘴出口断面为底，初始段长度为高的圆锥体。(5) 、射流基本段( v )：m转折面以后的部分为水射流的基本段。从这儿速度开始衰减。2.9、非淹没水射流的结构和特征我们常见的水射流都是水射流喷入大气的非淹没射流，其特性与淹没水射 流不同。1）紧密段：紧靠水射流喷嘴出口，该段水流保持紧密状态，透明清晰，断 面上任一点的流速相同，都等于喷嘴出口速度。由于与空气的摩擦表面出现波 纹，其波幅随离开喷嘴出口的距离加大而增大，波幅增大到一定程度后，射流 表面就开始破裂，

13、吸入空气，由于吸入的空气量较少，射流表面破裂成大块水 团。2）核心段：该段的射流表面已开始破碎为大块水团并吸入空气，而其核心 部分仍保持初始的喷射速度，呈紧密状态。随着远离喷嘴，核心的断面积越来 越小，最后完全消失。3）基本段（破裂段）：该段中射流吸入的空气逐渐增多，射流表面的大块 水团进一步被破碎为水滴，而射流中心由紧密状态破碎为大块水团，而且随着 远离喷嘴出口，保持中间大块水团的部分也逐渐减小，最后完全变成水滴。4）水滴段：射流吸入大量的空气，射流整个断面被空气介质隔离变成水滴 状。2.10、淹没水射流与非淹没水射流主要特性的比较：射流种类 特性 淹没水射流非淹没水射流射流扩散R = Xt

14、gaR * = 3.28 R0d = kQxR = 1.97 Rc0基本段轴心速度衰减Vm = 3.28 R vR0基本段轴心动压衰减p1m OCpx 20pxm = c px0基本段射流断面速度 分布v=1 01 )2 vm基本段射流断面动压 分布=1 (1)1-54Pm=1(n )1i52 pm核心段长度S = 9.15 R0 0x = (65 135)dc0通过比较可以看出：（1）淹没水射流的扩散速度比非淹没水射流快，故其能量耗散快，水射流射程短；(2) 淹没水射流的轴心速度和动压的衰减要比非淹没水射流快得多，故在 应用时，其切割破碎能力受靶距的影响大；(3) 非淹没水射流截面上的速度和

15、动压分布比较平缓，即断面上的速度和 动压分布比淹没水射流分布均匀；(4) 非淹没水射流的核心段长度要比淹没水射流长得多，也即水射流的有 效射程长得多。2.11、液固两相流动简介相是具有相同成分、相同物理化学性质的均匀部分，也可以说是物体的单 一状态，如固相、液相、气相等。所谓两相流动就是同时存在着两种相的流动。在高压水射流领域中的空化射流、磨料射流以及磨料输送等都与两相流动 有关。1) 、滑移速度与速度松弛过程磨料水两相流动的特点是磨料与水介质可以有不同的运动速度。在流动过程中，如果水介质的瞬时速度为u(t)，而磨粒在同一瞬时的速度为u (t)，通a常是u(t) u (t)，这个速度差u(t) - u (t)称为滑移速度。在滑移速度的作用aa下，磨粒将加速运动，有u (t)接近u(t)的趋势。a液固两相介质速度互相逼近的速率取决于滑移速度，即取决于运动过程中 出现的各种阻力。在两相流理论里，把上述的速度逼近过程称为松驰过程，并用松驰时间表 示松驰过