自激振动空化射流打击力实验

设计了不同尺寸组合的风琴管自激振动空化喷嘴,测量了风琴管自激振动空化喷嘴喷射时射流对射靶打击力,通过对射流打击力的比较分析,研究了自激振动空化射流的力学特性,发现了自激振动空化射流对射靶打击力频域图中存在与自激振动空化喷嘴振动频域图中相应的调制频率,即自激振动空化喷嘴谐振腔内自激振动的谐振频率,实测值与理论计算值相符,并研究了风琴管自激振动空化喷嘴结构参数对喷嘴产生自激振动空化效果的影响规律,得出喷嘴的最佳结构参数,为自激振动空化喷嘴的优化设计提供了参考。     

基于CFD的自激振动空化射流喷嘴结构参数 影响研究

随着海洋结构物水下清洗技术的发展,具有高效、安全、节能、环保等特点的新型空化射流清洗技术也开始新兴于水下清洗作业当中。自激振动空化射流则结合了空化射流和脉冲射流的特点,可以达到更好的空化效果,从而实现快速清洗、切割等功能。本文以传统赫姆霍兹喷嘴为研究对象,结合相关文献,在喷嘴出口处添加可以增强空化效果的扩张管结构,同时,分别以喷嘴谐振腔高度、谐振腔宽度、扩张管角度和泵额定压力为研究变量,通过计算流体动力学软件(CFD)对新型赫姆霍兹喷嘴展开数值仿真,结合仿真结果,分析不同变量对于空化射流效果的影响。本文研究成果既可以为作者今后的实验研究做好理论基础,同时,也可以为赫姆霍兹喷嘴的优化设计提供一些参考。     

喷嘴出口结构参数对风琴管射流空化作用的影响

风琴管射流的空化作用虽由其振荡特性诱发,但受制于其出口结构,出口结构对空化作用的影响一直被忽视。首先从射流空化作用机理出发,分析风琴管喷嘴出口边界层流动特性,揭示喷嘴出口结构与空化作用的内在联系。基于水声学原理,采用噪声信号分析法研究了相同空化数下出口结构参数对风琴管射流空化作用的影响,探究不同空化数下出口结构参数对射流空化作用的影响规律。试验结果表明,流道长度L1、扩口长度L2及扩口角度θ等喷嘴出口结构参数对射流空化作用效果均产生显著影响,L1仅对射流空化作用产生直接影响,L2仅对射流空化作用产生间接影响,而θ对射流空化作用产生双重影响;L1、L2及θ对射流空化作用的影响具有明显的规律性,均存在合理的取值范围,在该范围内射流空化作用效果较佳。风琴管射流的高频振荡特性只是自振射流发生空化作用的前提条件,而喷嘴的出口结构在一定程度上决定着自振射流的实际空化作用效果。     

基于摩擦自激振动升频效应的超低频振动能量收集

低频振动在环境中广泛存在,针对目前低频振动能量收集效率低的问题,提出将外界低频振动转化成摩擦系统的自激振动,实现低频振动到高频振动的升频转换,以达到提高低频能量收集效率的目的 .为此,首先建立了集总参数模型,从理论上阐明低频振动能量收集方法的可行性,并分析模拟了该模型压电电压与功率的输出特性;其次分别设计了往复摩擦自激振动能量收集试验和压电悬臂梁碰撞能量收集试验,对比分析将低频振动转化为摩擦振动能否提高压电输出功率.试验与仿真结果表明,利用摩擦自激振动能够显著提升振动频率.摩擦自激振动电压幅值随着激励频率的增大而增大,与碰撞电压相比,其电压幅值较低,但是频率得到了大幅提升.由于频率的提升,压电振子的能量输出大幅提升,使得超低频振动能量收集性能明显提高.     

双腔室自振脉冲喷嘴空化射流数值模拟

以风琴管喷嘴为基础,串联一个谐振腔形成双腔室自激振荡脉冲喷嘴,利用Fluent对其流场进行数值模拟,分析射流靶距、二级谐振腔腔长比、腔径比的变化对空化射流流场的影响。结果表明：谐振腔尺寸过大或过小均会影响涡环结构的形成,进而影响空化效果。当谐振腔腔长比为0.77、腔径比为2.6时,谐振腔内涡环结构对称性好,轴向含气率高,射流速度较高,该结构利于清洗效率的提高。靶面滞止压力可对空化效果产生影响。当射流靶距较小时,在滞止压力的作用下二级谐振腔无涡环结构产生,轴向含气率较低。当靶距增加到18 mm时滞止压力产生的影响减小,轴向含气率明显提高,因此清洗靶距应至少为18 mm。但靶距的增加会降低射流到达靶面的动能,因此最佳靶距应取18 mm。     

自激脉冲喷嘴的机理与结构仿真分析

分析了自激脉冲喷嘴的工作原理和自激振荡产生的机理,建立了自激喷嘴的数学模型;利用Fluent仿真软件,研究不同结构参数喷嘴的脉冲射流特性;通过模拟仿真分析,得出了喷嘴的最佳结构参数。结果表明:上、下喷嘴直径和腔长对出流频率、振幅以及流速峰值都有着较为关键的影响;由于涡旋和空化对入口流速的阻碍,以及气体体积分数的不同,出口流速比进口流速大。     

自振射流装置结构及频率特性

自振射流频率特性包括低频脉动与高频振荡,其发生机理与应用条件均存在较大差异,而现有研究较少。基于流体网络理论建立数学模型,分别计算流体管网与喷嘴的声谐固有频率;基于信号分析方法,获取自振射流的全频谱结构,进而探讨射流装置结构与射流频率特性的关系。试验结果表明,一个完整的自振射流频谱由低频脉动和高频振荡两部分组成,但两者相差近两个数量级;自振射流的低频脉动通常由管网内流体扰动引发,当扰动频率与管网固有频率相接近时,低频振荡增强;其高频振荡由喷嘴出口处流体涡激振动引发,当涡振频率与喷嘴声谐固有频率相接近时,射流产生强烈的高频振荡;低频脉动射流不受喷嘴出口形状和外部环境参数影响,可应用于非淹没或低围压环境下,而高频振荡射流受喷嘴出口形状和外部环境参数影响大,可应用于围压条件下。研究成果揭示了射流装置结构与射流频率特性的关系,为自振射流装置结构设计及深海资源开采提供了技术支撑。     

基于压电悬臂梁振动能量收集器的摩擦自激振动能量收集

针对机械装备滑动摩擦副广泛存在的高强度摩擦自激振动,设计了结构简单的压电悬臂梁振动能量收集器并安装在滑动摩擦副上,以实现将摩擦自激振动能量转换为电能。通过在CETR摩擦磨损试验机上开展摩擦自激振动能量收集试验以及进行相应的有限元和数值仿真分析,验证设计的压电悬臂梁振动能量收集器的效果并分析其机理。结果表明,压电悬臂梁振动能量收集器输出电压的时域演变规律和频域特性与相应的摩擦自激振动信号一致,故设计的压电悬臂梁振动能量收集器可有效地将摩擦自激振动能量转换为电能,实现了摩擦自激振动能量的收集;法向载荷的增大使得输入摩擦系统的能量显著增强,导致摩擦副界面摩擦自激振动强度增大,从而增加了压电悬臂梁振动能量收集器的激励源强度,使其输出电压显著增大;在较大的法向载荷作用下压电悬臂梁振动能量收集器的输出电压最大值达到近4 V且频率较高,可为低功率传感器提供电能供应。     

风琴管喷嘴内表面粗糙度对高压射流特性的影响试验研究

风琴管自振空化喷嘴因兼具空化射流与脉冲射流的优点而被广泛使用。为探究大雷诺数下风琴管喷嘴内表面粗糙度对高压射流特性的影响,从而提高喷嘴作业效率。在理论分析紊流特性与表面粗糙度关系的基础上,通过试验探究了风琴管喷嘴内表面粗糙度对射流轴心压力脉动与扩散角的影响规律。试验结果表明,入口压力越大,粗糙度对射流的扩散角、轴心压力脉动峰值、压力脉动幅度的影响程度越大;对某一入口压力,存在一对应起始粗糙度值使得扩散角快速增大,轴心压力脉动峰值与压力脉动幅值急剧衰减;且入口压力一定时,存在一临界粗糙度值,粗糙度小于此值时,轴心压力脉动峰值与压力脉动幅值随靶距增大而先增大后减小;粗糙度大于此值时,轴心压力脉动峰值与压力脉动幅值随靶距增大而减小。根据试验数据,运用能量守恒定理,建立了射流轴心压力脉动峰值随表面粗糙度、入口压力、靶距变化关系的初步数学模型。     

高频电液振动台振动特性实验研究

传统电液振动台由于受伺服阀频响特性的限制,其工作频率难以提高到较高的水平。为此提出一种基于2D激振阀的高频电液振动台,由于2D激振阀是一种特殊结构的转阀,通过提高2D激振阀阀芯的转速可以使电液振动台的工作频率实现大幅提高。分析了高频电液振动台的工作原理,并建立了其数学模型,为了验证理论分析以及高频电液振动台工作时的实际输出振动波形,设计了高频电液振动台并进行了实验研究。实验结果表明：基于2D激振阀的电液振动台能大幅提高振动频率,振动台输出的振动频率达到800Hz,远远高于现有传统电液振动台的振动频率。     

Experiment and Numerical Simulation of Free Water Jet by a Central-body Nozzle

The recent research about cavitation jet mainly focuses on the organ-pipe nozzle and triangular nozzle.The research content mainly includes the optimized design about the structure of nozzles,the observation and flow analysis about the cavitation jet in the water,and the theory of rock attacked by the cavitation jet,while the energy characteristic of the free jet is not studied yet.In China,the research about the central-body nozzle is almost empty.For the purpose of studying the energy characteristic and the structure of free water jet discharged from central-body nozzle,an experiment with phase Doppler particle anemometry(PDPA) technology is carried out to measure the free water jet flow,which is produced by a central-body nozzle under the jet pressure of 15 MPa.While five sections with different axial distances from the nozzle outlet are selected for data process and analysis,the axial and radial velocity and the droplets of the particle size are studied.Meanwhile,numerical calculation of corresponding flow field is conducted by using volume of fluid(VOF) multiphase model,and the jet flow feature is discussed.The experimental and calculating results show that the axial velocity of high speed jet flow dissipates slowly in the air,and the core area and diffused area are discovered.The diameter of droplet in the core area is small,and jet energy is concentrated,while in the diffusion area,water is mingled with ambient air and radial velocity is relatively large.Obvious low-pressure area exists behind the central body and potential cavitation may occur in that area.The proposed research reveals the energy characteristic of free jet discharged from central-body nozzle,provides the theoretical basis for preestimating erosion feature of the central-body nozzle and also the theoretical foundation for revealing the mechanism of erosion.     

Numerical simulation ultrahigh waterjet (WJ) flow field with the high-frequency velocity vibration at the nozzle inlet

This paper presents an investigation of ultrahigh pressure waterjet (WJ) flow field with the high-frequency velocity vibration at the nozzle inlet by computational fluid dynamics method. The velocity field of the flow inside the WJ nozzle is obtained. The influence of vibration parameters, such as amplitude and frequency on the flow field are studied. The results of investigation indicate that the flow velocity at the WJ nozzle outlet has almost the same vibrating type with the inlet velocity vibration. During a vibration cycle, the velocity field of the flow is changing greatly. The serials value of the vibration frequency and amplitude are taken to test their influence on the flow field. The simulation results show that the flow field also changes greatly with the different frequency and amplitude. Based on the obtained results, the mechanism of system pressure vibration influence on the water jet flow field inside the WJ nozzle is obtained, and a new method is provided to optimize the machining process with the aim to improve the machine efficiency and surface quality of the work piece.     

Effects of area discontinuity at nozzle inlet on the characteristics of self-resonating cavitating waterjet

The current research on self-resonating cavitating waterjet(SRCW) mainly focuses on the generation mechanism and structure optimization. Researches relating to the influences of disturbances at nozzle inlet on the characteristics of the jet are rarely available. In order to further improve the performance of SRCW, effects of area discontinuity(enlargement and contraction) are experimentally investigated using three organ-pipe nozzles. Axial pressure oscillation peak and amplitude as well as aggressive erosion intensity of the jet are used to evaluate the effects. The results reveal that area enlargement and contraction affect the peak differently, depending on the inlet pressure, nozzle geometry, and standoff distance; while area contraction always improves the amplitude regardless of these factors. At inlet pressures of 10 MPa and 20 MPa, area discontinuity improves the peak at almost all the testing standoff distances, while this only happens at smaller standoff distances with the inlet pressure increased to 30 MPa. The capability of area discontinuity for improving the amplitude is enhancing with increasing inlet pressure. Moreover, the cavitation erosion ability of the jet can be largely enhanced around the optimum standoff distance, depending on the type of area discontinuity and nozzle geometry. A preliminary analysis of the influence of area discontinuity on the disturbance waves in the flow is also performed. The proposed research provides a new method for effectively enhancing the performance of SRCW.     

高压水射流靶物探测用喷嘴结构参数优化

高压水射流靶物探测技术是一项结合了高压水射流技术和声音信号分类识别技术的新的技术和研究方向,要实现高压水射流对靶物的有效探测,就必须得到具有合理有效的特征值的信号。其中喷嘴结构是影响特征值信号的一个重要因素,在选择工程上常见的、结构较为合理的4种喷嘴的基础上,利用计算流体力学软件Fluent对喷嘴内部流场做了数值模拟分析,并从反射声信号的角度给出试验判定。试验结果表明,出口直径为0.8mm的圆锥长直线型喷嘴产生的射流性能及射流束的聚集性都较好,有利于产生较好反射声音信号的特征值。     

超高压水射流盘式清洗装置工作效率试验研究

利用高速水射流的冲击动能,可以实现钢制结构表面除漆除锈的目的。通过理论分析并计算出影响清洗效率的主要参数的最优值,采用试验分析方法验证喷嘴孔径、单喷嘴靶距、射流压力等清洗参数的优选结果。根据最优清洗参数,进行清洗盘行进速度与压力对清洗效果的影响的试验;研究清洗盘工作时喷嘴的运动,提出一种清洗盘喷嘴布置结构设计,以及一种新型清洗盘工作的运动方式。     

磨料水射流仿真分析与试验研究

为有效保持油田的稳产增产,磨料水射流技术逐渐被应用于油田生产.磨料水射流切割利用高速混砂液体的射流来完成切割作业,具有安全、多能、环保、便捷、高效的特点.本文对前混式磨料水射流切割的喷嘴结构进行了优化设计计算,采用计算流体力学的方法,利用CFD仿真软件,对不同喷嘴类型﹑喷嘴长度和不同锥角角度的喷头的工作情况进行数值模拟...     

气枪喷嘴除尘除水效率的实验研究

利用图像处理的方法对小尺度气枪喷嘴冲击射流的除尘除水效率进行研究,实现了对喷嘴除尘除水效率的定量测量。利用该方法对影响气枪喷除尘除水效率的各种因素进行研究,并将实验结果与用热线风速仪测量的结果进行了比较,得到了关于喷嘴工作最佳工况的一些结论。这些结论可对了解喷嘴的除尘除水工作原理及对气枪喷嘴进一步改进和优化提供帮助。     

硬岩掘进机高压水耦合破岩影响因素实验研究

硬岩掘进机(TBM)在硬岩甚至超硬岩段掘进时,采用高压水射流辅助破岩成为一种有效提高破岩效率的新的研究方向。由于高压水射流破岩受诸多因素影响,作用规律复杂,其破岩机理一直未能被准确揭示。主要利用正交实验方法研究水射流压力、喷嘴直径、喷嘴移动速度对破岩沟槽深度与沟槽宽度的影响,同时结合刀盘贯入度优化水射流压力、喷嘴直径、移动速度等关键参数,探索高压水射流与岩石耦合破岩规律,为进一步揭示破岩机理提供依据。     

气溶性射流对钢板污垢清洗的应用研究

为了获得更好的清洗效果和节能环保,提出了一种新型的射流方式——气溶性射流。基于流体力学和气溶性射流的工作原理,根据气溶性射流的特性和喷嘴的几何特征,研究了气液相的流动特性方程,得到了气溶性射流的速度分布规律。利用自行设计的超音速喷嘴组装的带电气溶性射流实验装置对钢板进行清洗,经简易检测表明：气溶性射流喷嘴产生的超音速极大地提高了洗涤效率,与同流量的喷嘴相比,效率提高近10倍,具有广泛的应用前景。