CN101733211A - 一种内混合式中心体空化喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压水射流喷嘴，设置中心体和中心体固定座，来流进入喷嘴内流道前，首先通过中心体固定座上四个周向均布的通孔，由于过流断面面积突然减小，流体被加速，四股高速流体在混合直通道内进行混合，混合直通道内存在着由于高速流体和流动滞止区间的剪切作用产生的空化泡，而后主流经由收缩通道和出流直通道后流出，出口处同样存在着高速流体和流动滞止区的剪切作用，空化泡不但存在于射流流束外围，也存在于射流流束内部，高速流体的动量变化和空化泡溃灭时产生的瞬时压力对被作用物体产生双重作用。该喷嘴的高效作业区域较大，对被作用物体的侵蚀和打击效果更好。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压水射流喷嘴，特指一种应用在高压清洗行业中的中心体式空化射流喷嘴。
背景技术
高压水射流技术是近些年发展起来的一门新技术，目前已渗透到采矿、机械制造等多个行业。目前应用于大型换热器、火车机车、船舶的水下部分的清洗作业中的高压射流设备均体现出了它们独特的优势。在高压清洗作业过程中，经增压器增压后，流体压力可达数十兆帕，当喷嘴出口直径为1毫米左右时，射流的初始速度可达220米/秒以上，具有很强的冲击力。喷嘴是整个射流系统的关键部件，喷嘴的内流道形状决定着射流流束的集聚性与能量特征。而喷嘴内流道内发生空化的可能性极大，产生的空化泡随主流喷出后，由于环境压力较高，空化泡将发生溃灭，产生的瞬时压强若作用于物体表面，将对局部表面产生很大的冲击压力，对物体表面造成侵蚀。将高速射流的动量变化与空化泡侵蚀两种效应相结合将产生很好的清洗效果。目前的喷嘴存在的问题在于：(1)如现在石油钻探行业沿用的类似于文献[1]研究的空化喷嘴，其喷嘴出口前为一空腔，流体流出喷嘴前，在空腔内产生剧烈撞击、回弹和旋涡，出口处可以产生空化现象，但其产生的空化射流不连续，若应用于清洗作业，作业效率和可操作性都会大大降低；([1]Jonhnson V E Jr，Conn A F et al.Self-resonatingcavitating jets.Proceedings of 6th International Symposium on Water Jet Technology，England，1982.)(2)如类似于文献[2]研究的喷嘴，出口附近的流道形状由断面面积收缩过渡到断面面积突然扩大，由于流体被加速，空化现象会发生在低压区，并向下游延伸，但其产生的射流流束中，空化泡多集中在流束外围，射流流体与环境介质发生剪切作用而导致大量空化泡在未到达被作用物体表面前即发生溃灭，起不到侵蚀被作用物体表面的作用。([2]Akira Sou，Shigeo Hosokawa，Akio Tomiyama.Effects of cavitation in a nozzle onliquid jet atomization.International Journal of Heat and Mass Transfer，2007，50：3575-3582.)
发明内容
为了增加连续空化射流中的空化泡密度，且克服射流流束中空化泡分布偏向流束外围的不足，本发明提供一种内混合式中心体空化喷嘴。
本发明所采取的技术方案是，喷嘴外套与高压系统通过过流部件连通，使高压流体可通过其内部流道。喷嘴外套出口端直径为1.0-1.5mm，中心体固定座通过台阶面与喷嘴外套固定。在中心体固定座中心开设一个配合孔，中心体与中心体固定座之间通过配合孔进行连接。中心体固定座上开设四个尺寸相同的通孔以作为过流通道，通孔的内径由喷嘴进口面积决定。中心体为一圆柱棒，上游端呈锥面，中心体的下游端并不伸出喷嘴出口，而是缩进入喷嘴，且与喷嘴出口保持一定的轴向距离，中心体轴线与开设在中心体固定座上的四个通孔的轴线平行。
根据流体动力学原理，喷嘴进口和出口间存在着压差，造成流体从喷嘴进口向出口的流动，流体流经中心体固定座时，四个通孔成为过流通道，过流断面面积的突然减小导致流体加速，根据能量守恒原理，流体的动压增加，静压相应减小，根据相变理论，流体静压减小导致流体内空化核的长大，空化现象的发生表现为不同尺度空化泡的出现，高速流体将空化泡夹带至混合直通道后，流体间发生掺混，流动的湍流度增大，同时，由于边壁形状的因素，混合通道内产生流动滞止区1，高速流体与流动滞止区1外围存在较强的剪切作用，从而致使该处产生空化泡，流体继续经过收缩通道时，由于过流断面的逐渐减小，流体被进一步加速，夹带空化泡的主流中的空化泡数量进一步增加，小的空化泡有长大的趋势。流体流至出口直通道时，流动方向趋于一致，而在出口附近由于过流断面面积的突然增大，流体速度减小，中心体下游端右侧出现流动滞止区2，空化泡由于剪切作用会出现在射流流束中间，高速流体夹带空化泡流出喷嘴，在一定喷射距离内，高速流体动量变化产生的冲击力和空化泡溃灭产生的局部打击力是对被作用物体的双重作用。
本发明的优点在于合理地利用了流体动力学原理与相变理论，多股高速射流夹带空化泡，且在混合流道内充分混合，通过喷嘴断面的收缩，主流被二次加速，经过喷嘴出口断面时的空化泡数量较多，且出口射流流束中靠近流束中心线的空化泡数量较多，对被作用物体的侵蚀和打击作用较强。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中的A-A剖视图。
图中，1.喷嘴外套，2.台阶面，3.混合直通道，4.收缩通道，5.出流直通道，6.通孔，7.配合孔，8.中心体固定座，9.中心体，10.下游端，11.上游端。
具体实施方式
设有与高压系统连接的喷嘴外套(1)，喷嘴外套(1)的出口直径为1.0-1.5mm，中心体(9)为一圆柱棒，中心体(9)的上游端(11)被加工成圆锥面，中心体固定座(8)上开设四个内径相同、轴线平行、在圆周方向均布的通孔(6)以作为过流通道，四个通孔(6)的面积之和与喷嘴外套(1)出口断面面积之比为0.4-0.5。中心体固定座(8)中心处开设配合孔(7)，配合孔(7)的直径与通孔(6)的直径相同，中心体(9)的直段断面直径与通孔(6)的直径相同，配合孔(7)与中心体(9)进行配合，中心体(9)的轴线与四个通孔(6)的轴线平行，中心体(9)的上游端(11)正对来流方向，中心体(9)的下游端(10)距离喷嘴外套(1)出口的轴向距离为1.5-2.5mm，中心体(9)与中心体固定座(8)间无相对运动，中心体固定座(8)位于喷嘴外套(1)内的进口处，两者通过圆柱台阶面进行配合，中心体固定座(8)与喷嘴外套(1)间无相对运动。
经增压系统增压后的流体流入喷嘴后，中心体上游端造成的流动阻力很小，流体经由中心体固定座(8)的通孔(6)时，过流断面面积突然减小，流速增加，流体的静压减小，空化泡出现。而流体流出通孔(6)后，过流断面面积突然增大，流速降低，流体静压升高，而中心体(9)和中心体固定座(8)连接处出现流动滞止区1，高速运动的流体和流动滞止区1间存在着很大的速度梯度，由于剪切作用造成局部涡量产生，空化泡因此产生，夹带着不同尺度空化泡的主流在混合直通道(3)内剧烈掺混，湍流度急剧增大，掺混的过程中，空化泡数量进一步增加，进入收缩通道(4)后，由于断面收缩，主流被二次加速。流体进入出流直通道(5)后，流动方向趋于一致，在喷嘴出口处，断面突然变大，流体减速，不利于空化泡的存在，但中心体(9)的下游端(10)的形状决定了下游端(10)右侧产生流动滞止区2，高速流体与流动滞止区2之间的强剪切作用致使空化泡产生，中心体下游端与喷嘴出口的距离很小，主流将空化泡夹带着喷出，不但在射流流束外围，而且在射流流束内部也存在着一定数量的空化泡。
Claims (2)
1.一种内混合式中心体空化喷嘴，其特征在于，包括喷嘴外套(1)、中心体固定座(8)、中心体(9)，所述中心体固定座(8)位于喷嘴外套(1)内的进口处，通过台阶面与喷嘴外套(1)固定，中心体固定座(8)与喷嘴外套(1)间无相对运动；在中心体固定座(8)中心开设一个配合孔(7)，所述中心体(9)通过配合孔(7)与中心体固定座(8)固定连接，中心体(9)与中心体固定座(8)之间无相对运动；所述中心体(9)为圆柱状，上游端(11)为圆锥面，下游端(10)距离喷嘴外套(1)出口断面的轴向距离为1.5-2.5mm，喷嘴外套(1)的出口直径为1.0-1.5mm；在所述中心体固定座(8)上开设四个轴线平行、尺寸相同、呈圆周均布的通孔(6)，四个通孔(6)的轴线与所述中心体(9)的轴线平行，通孔(6)与所述配合孔(7)的直径相同，中心体(9)的直段断面直径与通孔(6)的直径相同。
2.如权利1要求所述的一种内混合式中心体空化喷嘴，其特征在于，所述四个通孔(6)的面积之和与喷嘴外套(1)出口断面面积之比为0.4-0.5。
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