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超空泡高压水射流的清洗机理
来源: 时间:2022-04-13 浏览:8764
超空泡高压水射流清洗机理可以认为是超空化带来的空蚀效果和高压水射流清洗效果的叠加。超空泡高压水射流清洗技术的创新点就在于其射流喷嘴的设计。喷嘴的结构核心是高压水射流喷喷嘴,是高压水射流的产生机构。在喷嘴外,笔者利用注气系统将空气注入空腔,高压高速水射流外形成低速气腔,能够有效降低高压水射流在管道清洗过程中的阻力,进而使高压水射流能够具有更远的清洗距离。

高压水射流对物体表面的清洗机理是十分复杂的。一般认为,水射流清洗是射流对被清洗物体表面污垢的破坏和冲刷的结果[54]。其对物体表面结垢层的清洗主要表现为以下几个方面: (1)高压水射流对基体表面结垢层材料的软化; (2)水射流在污垢表面的穿透和渗透,导致结垢层裂纹扩展,加速垢层的破碎(3)高压水射流作用于基体表面的剪切力使被清洗物体表面结垢层破损; (4)高压水射流作用于物体污垢层表面的切力和拉力将会对对其造成脆性破坏; (5)高压水射流对物体表面的冲击会造成剥离作用。 高压水射流对基体表面的清洗作用可以认为是两方面效果的影响。其中之一是射流对基体表面的破碎过程。当水流对基体表面污垢层产生渗透时,会对污垢的内部细小颗粒施加压力,当渗透水施加的压力比颗粒之间的引力更大时,垢层会产生裂纹并且逐步扩散,后续的射流又直接起压缩、剪切作用,从而完成了对壁面污垢层的清洗。在这个过程中,水的渗透作用是起决定性作用的[55]。二是由于水压的存在,而对污垢层造成破碎应力的过程。破碎应力的产生主要是由于直压缩和剪切力。当垢层的强度极限无法承受应力时,该破碎应力就会使垢层产生裂纹,最终在连续射流的作用下剥落。 

此外,在喷嘴中由于空化效果产生的空化泡也是造成有效清洗的原因。通过注气系统,能够有效降低射流中的空化数,使之达到超空化效应。超空泡的形成一方面能够有效降低射流在管道中的阻力,另一方面,由于超空泡本身的空化效应造成的空蚀破坏也能对管道壁面进行清洗。 

空化射流的清洗过程较为复杂,目前还无法准确的对其全过程进行描述,只能借助某些简化模型进行研究。 空化的机械作用理论认为,由于空泡在管道壁面溃灭导致了物体表面的破坏,这种溃灭会产生高速微射流和冲击波,对管道壁面造成强大的冲击。这种溃灭方式在空化射流中有两种情况[56]。 (1) 空化泡在压力梯度下的溃灭 空化泡产生于射流喷嘴中,并随射流运动。如图,由于空泡两端存在压力差,导致其一端壁面被挤压变扁,最终两壁相靠,空泡破裂。液流在与空化泡运动方向相反的一方,以高速微射流形式穿过分裂后的球泡。这种空泡的破裂方式存在于液体流动过程中,并且微射流的方向与空泡运动方向相反,破裂作用离被冲蚀物体表面较远,因此,这种破灭造成的破坏与冲蚀作用比较小。


2)空化泡在近壁面附近的破裂 如图,当球形空化泡运动到壁面附近时,空化泡与壁面之间存在液流的横向流动,使空泡在靠近壁面的一端所受到的液压低于较远的一端,因此远端壁面向内凹进,直到近壁被穿透,此时原来的空泡分裂成两个气泡,在两个泡之间就形成了速度很高的微射流。这种破裂形式产生的高速微射流方向是指向壁面的,因此其冲蚀力很强。 这种形式的破灭所产生的微射流即是认为的超空泡高压水射流清洗的机理之一

 

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