环形水射流流场的实验研究与统计分析

　　0 引 言

　　环形射流是一种新型射流,多被应用在航空航天和动力工程领域,近年来环形射流在工业清洗领域内被尝试并取得了较好的应用效果。在三维空间,液流自环形喷嘴喷出后首先形成具有一定厚度的圆环,在离开喷嘴一定距离后,圆环开始沿径向扩散,圆环的中心由空心变为充满着液体[1]。环形液体射流中存在着射流稳定性、射流束聚并、液滴撞击和液滴破碎等难题[2-3]。从目前的数值模拟水平来看,高速环形射流场的高精度数值模拟和多尺度流动结构的求解均具有较大的难度[4]。而目前针对环形射流的定量实验研究报道也较少。

　　当射流压力达到10MPa时,液体的速度一般会达到100m/s[5]。在这类较高流速的射流场中,能量分布是评价射流场品质的重要指标,更是决定射流作业能力的关键因素,这一点不同于低压圆柱射流和双流体雾化[6]。同时,流场中的液滴尺寸分布对射流流体施加到被作用物体表面的打击作用有着重要的影响[7-8]。

　　对一环形喷嘴的自由射流流场进行实验研究,设定3种射流压力p=11,12和15MPa,对不同射流压力下的射流流场进行PDPA光学测量。测量流场中的单点平均速度和脉动速度,以说明射流能量的沿程衰减和流场的湍动性能。通过对液滴粒径分布的测量来衡量该流场内的液滴破碎机制。对通过特定位置控制体的单个液滴粒径和速度进行统计分析,以描述群体液滴表现出的统计规律。

　　1 实验系统

　　采用的实验系统如图1所示,水的压能由功率为9kW的三缸柱塞泵提供,柱塞泵出口和喷嘴通过高压软管相连,高压软管内的能量损失由柱塞泵出口和喷嘴入口的压差反映。实验中采用的环形喷嘴如图2所示,其出口直径为1.68mm,中心圆柱的直径为1.0mm,中心圆柱的下游端距离喷嘴出口断面的轴向距离为1mm,采用该缩进形式的目的是为了缩短圆环中心充满液流所需的轴向距离。射流出口的环境压力为当地大气压。在距喷嘴出口不同轴向距离处选取6个测量断面以进行射流场测量与分析。

　　2 PDPA参数

　　PDPA的基本原理是散射光干涉原理,即测量物体散射光线时产生的多普勒频移以获得物体的移动速度,与激光多普勒测速(LDA)技术最大的不同在于其接收光学单元有3个探测器且其位置不能与发射光束的对称轴同线,在测量多维速度分量的同时,亦可通过测量信号的相位得到示踪粒子的粒径[9]。

　　本实验中采用丹麦Dantec公司生产的PDPA系统,该系统由最大功率为5W的氩离子激光光源、二维绿光及蓝光发射探头、接收探头、光纤驱动器、光电接收器、信号处理器、控制软件BSA Flow以及智能三维位移机构等组成。实验中在前侧向布置接收器,接收散射角为35b。该系统的主要性能参数如表1所示。