基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（No.50334060）1刖目高壓水射流技術(shù)已在清洗、切割、石油鉆孔、海洋開發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用。與普通高壓水射流相比，空化射流將促進(jìn)射流進(jìn)行低能高效的工作，并能明顯提高清洗效果、切割效率和滿足鉆深孔大孔的目的，在海底資源的開發(fā)中具有重大的應(yīng)用價(jià)值。為此，本文設(shè)計(jì)了不同型式的噴嘴，對(duì)其產(chǎn)生的空泡云進(jìn)行對(duì)比分析和巖石沖蝕的空化射流實(shí)驗(yàn)裝置，采用全密封的高壓容器模擬深水環(huán)境，其上設(shè)有壓力表、減壓閥、排水閥，前后觀察窗口、并由進(jìn)水管與高壓柱塞泵連接。高壓柱塞泵最大壓力31.5MPa，流量750L/h.實(shí)驗(yàn)采用500萬像素的數(shù)碼相機(jī)、尼康高速照相機(jī)攝取空泡云圖片，閃光燈從后觀察窗口輸入光源，高速照相機(jī)拍攝速度5000fps.空化射流實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的縮放型空化噴嘴收縮角為15*，擴(kuò)散角18*，喉管直徑1mm，如（a）。為分析比較，實(shí)驗(yàn)還設(shè)計(jì)了相同收縮角度的普通收縮噴嘴，其出口噴嘴直徑為1mm，如（b）。

　　3空泡云發(fā)育與空泡云長度實(shí)驗(yàn)研究3.1空泡云發(fā)育分析空化噴嘴是產(chǎn)生空化水射流的源泉，其空化能力的強(qiáng)弱取決于噴嘴形狀、來流紊動(dòng)強(qiáng)弱、速度、系統(tǒng)壓力、流體性質(zhì)等因素?？栈淞鳑_蝕能力強(qiáng)弱受制于空泡云的發(fā)育狀況?？张菰频漠a(chǎn)生、發(fā)育、潰滅反映在空泡云的長短、大小的變化上，是巖石破壞的關(guān)鍵所在。在縮放型噴嘴中，空化常發(fā)生于壓強(qiáng)最低的喉管部位，這里流速最大，壓強(qiáng)低于汽化壓強(qiáng)。喉管處產(chǎn)生的空泡很快被高速水體帶走，并跟隨射流運(yùn)動(dòng)，與水體形成液氣混合體，從而形成空泡云?？张菰菩纬珊笊淞髅芏取ば韵禂?shù)都將受到影響而發(fā)生變化，有：度；分別為液體、空泡的體積分?jǐn)?shù)；一，柬，分別為混合體、液體、空泡的動(dòng)力黏性系數(shù)。

　　由此可見，空化射流形成后其密度減少、黏性減弱，有利于空泡的發(fā)育，空泡不斷地經(jīng)歷膨脹、壓縮、再膨脹、再壓縮，乃至潰滅的反復(fù)過程。實(shí)驗(yàn)中采用了數(shù)碼相機(jī)，對(duì)收縮噴嘴與縮放型噴嘴在不同圍壓、泵壓條件下的空泡云進(jìn)行了攝影。收縮噴嘴在圍壓0.9MPa，泵壓18MPa下，采用數(shù)碼相機(jī)拍攝的空化云如。

　　數(shù)碼相機(jī)拍攝的空泡云如。

　　收縮噴嘴空泡云的發(fā)育潰滅過程圖（a）空泡云形成（b）空跑云壓縮（c）空泡云膨脹（d）空泡云潰滅縮放型噴嘴空泡云的發(fā)育潰滅過程圖、4中，不難發(fā)現(xiàn)，空泡云的發(fā)育過程都經(jīng)歷了空泡云的膨脹、壓縮、再膨脹、再壓縮、直至潰滅的幾個(gè)過程。收縮噴嘴的空泡云發(fā)育過程主要受泵源脈動(dòng)影響，膨脹、壓縮明顯。相反，縮放型空化噴嘴則空泡數(shù)量更多，黏性減弱，振蕩劇烈，空泡潰滅速度加快，空泡破滅產(chǎn)生的沖擊力將更大。

　　3.2空化水射流空泡云長度實(shí)驗(yàn)研究空泡云的長短是射流能量大小的直接體現(xiàn)，空泡云長度是空化射流沖蝕性能的關(guān)鍵性指標(biāo)，它直接決定著巖石試件的沖蝕體積與有效靶距的長短。

　　靶距、切割深度成正比。然而，空泡云長度又將受到那些因素的影響，本文在實(shí)驗(yàn)中對(duì)縮放型空化噴嘴與普通收縮型噴嘴在不同泵壓力和圍壓下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過高速照相機(jī)獲得圖片，利用高速照相機(jī)的MotionCentral軟件平臺(tái)下的坐標(biāo)，由已知的噴嘴外徑，計(jì)算出空泡云長度，取3次實(shí)驗(yàn)平均值。

　　實(shí)驗(yàn)中，縮放型空化噴嘴喉管直徑4下游噴嘴直徑比名/弋=3.6；普通收縮噴嘴直徑d=1mm；選用圍壓0.9MPa.高速照相機(jī)拍攝速度5000fps，像素640x480.實(shí)驗(yàn)獲得泵壓對(duì)空泡云長度的影響關(guān)系曲線，如。

　　中，為空泡云長度，八為系統(tǒng)泵壓。

　　由可知，縮放型空化噴嘴在相同圍壓下，空泡云長度隨泵壓的增加而增加，在泵壓小于12MPa時(shí)，變化較緩，之后有一較大變化區(qū)，在1416MPa又開始緩慢變化，16MPa后又形成較大變化區(qū)。對(duì)于普通收縮噴嘴，對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，空泡云長度變化規(guī)律與縮放型空化噴嘴相同，只是隨泵壓增加空泡云長度變化相對(duì)較緩。以18MPa為例，縮放型空化噴嘴空泡云長度較收縮型噴嘴提高15對(duì)上述縮放型空化噴嘴，在系統(tǒng)泵壓八=18MPa下，改變圍壓，實(shí)驗(yàn)獲得了圍壓對(duì)空泡云長度影響的關(guān)系曲線，見。

　　中，Pamb為高壓容器的壓力，即圍壓。圖中可知，在相同的系統(tǒng)泵壓下，曲線出現(xiàn)隨著圍壓的增加，空泡云長度先是增加，在圍壓為1MPa時(shí)空泡云長度達(dá)到最大，之后隨著圍壓的增加空泡云長度逐漸減小。

　　4巖石沖蝕性能的影響分析在砂巖的沖蝕實(shí)驗(yàn)中，沖蝕深度、寬度用游標(biāo)卡尺直接測量。沖蝕質(zhì)量采用沖蝕前后烘干、稱重取得。試驗(yàn)所用的各種測量儀表都具有足夠的精度，并經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)，每個(gè)環(huán)節(jié)的試驗(yàn)和測量條件一致，以保證重復(fù)多次測量的準(zhǔn)確。每個(gè)噴嘴的沖蝕試驗(yàn)進(jìn)行3次，對(duì)于多次重復(fù)的試驗(yàn)結(jié)果，按狄克遜準(zhǔn)則進(jìn)行分析處理。

　　4.1泵壓對(duì)巖石沖蝕質(zhì)量的影響實(shí)驗(yàn)在圍壓Pamb=0.9MPa、有效靶距直徑比為6mm、沖蝕時(shí)間為3min的實(shí)驗(yàn)條件下，分別對(duì)縮放型空化噴嘴、普通收縮型噴嘴進(jìn)行了巖石的沖蝕性能實(shí)驗(yàn)。試件米用直徑500mm，厚30mm的砂巖，砂巖抗壓強(qiáng)度為93.15MPa.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見。

　　中，Me為砂巖的沖蝕質(zhì)量。由圖可知，在相同的圍壓、靶距、沖蝕時(shí)間下，砂巖的沖蝕質(zhì)量隨泵壓增加而增加，無論是縮放型空化噴嘴或普通收縮型噴嘴，均具有相同的規(guī)律，但縮放型空化噴嘴的巖石沖蝕質(zhì)量均較普通收縮型噴嘴大。對(duì)比分析結(jié)果顯示：在相同條件下，縮放型空化噴嘴比普通收縮型噴嘴具有更高的沖蝕能力，對(duì)砂巖的沖蝕質(zhì)量平均是普通射流的7倍。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與空泡云發(fā)育過程中空泡云長度的變化結(jié)果是一致的。即一方面，縮放型空化噴嘴產(chǎn)生的空泡數(shù)量占有絕對(duì)的優(yōu)勢。另一方面，空泡云長度也反映了縮放型空化噴嘴產(chǎn)生的空化射流在能量上的優(yōu)勢。

　　4.2圍壓對(duì)沖蝕性能的影響在泵壓Pb=18MPa，其他參數(shù)不變，改變圍壓條件，縮放型空化噴嘴對(duì)砂巖的沖蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖（c）圍壓與沖蝕質(zhì)量關(guān)系曲線圍壓對(duì)沖蝕性能的影響中，丑e為砂巖的沖蝕深度，足為砂巖的切縫直徑。（a），（b），（c）分別為圍壓與沖蝕深度關(guān)系曲線、圍壓與切縫直徑關(guān)系曲線、圍壓與沖蝕質(zhì)量關(guān)系曲線，3條曲線變化趨勢一致。即在相同的泵壓、有效靶距直徑比和沖蝕時(shí)間下，砂巖沖蝕深度、切縫直徑與沖蝕質(zhì)量的變化曲線隨著圍壓的增加而逐漸下降，在圍壓大于1.6MPa后，三條曲線隨著圍壓的增加，下降的趨勢變慢。各條曲線基本成分段線性分布，當(dāng)圍壓達(dá)2.6MPa時(shí)，切割能力已較微弱。

　　5結(jié)論空泡云的發(fā)育過程經(jīng)歷了空泡云的膨脹、壓縮、再膨脹、再壓縮、直至潰滅幾個(gè)過程。本實(shí)驗(yàn)條件下，空化射流在巖石切割實(shí)驗(yàn)中，得到以下的結(jié)論：在相同圍壓下，空泡云長度隨泵壓的增加而增加?？s放型空化噴嘴與普通收縮型噴嘴空泡云長度具有相同的變化規(guī)律，但隨泵壓增加，縮放型空化噴嘴空泡云長度增加相對(duì)較快。

　　縮放型空化噴嘴泵壓不變，空泡云長度隨著圍壓的增加，在圍壓為1MPa時(shí)空泡云長度達(dá)到最大，之后隨著圍壓的增加，空泡云長度逐漸減少。

　　對(duì)砂巖的沖蝕實(shí)驗(yàn)表明，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，縮放型空化噴嘴產(chǎn)生的空化射流比普通收縮型噴嘴具有更強(qiáng)的沖蝕能力，對(duì)砂巖的質(zhì)量沖蝕能力平均是普通收縮型噴嘴的7倍。這將有利于空化水射流的實(shí)際應(yīng)用。

　　縮放型空化噴嘴產(chǎn)生的空化水射流對(duì)砂巖的沖蝕深度、切縫直徑與沖蝕質(zhì)量均隨著圍壓的增加而逐漸減少，當(dāng)圍壓達(dá)2.6MPa時(shí)，切割能力已較微弱。