CN113533099B - 一种用于水射流破冰实验的球帽型高速水射流枪枪头 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高速水射流技术领域，具体涉及一种用于水射流破冰实验的球帽型高速水射流枪枪头。本发明生成的球帽状高速水射流冲击在冰板时瞬间形成的冲击波，该冲击波会使冰结构表面迅速产生裂痕，水射流形成的滞后流对于冰板产生二次冲击对于冰的结构进行二次破坏。本发明具有防混流的优点，生成的水射流不易与空气混合，射流的冲击性更好，且冲击到冰板等结构物上的压力便于测量，也更容易复现，从而对水射流冲击等机理研究实验提供稳定实验状态，在试验中更容易定量的分析出射流的性质和机理。本发明结构简单，产生的射流对环境无污染，且成本低廉，便于设计与生产。

Description

一种用于水射流破冰实验的球帽型高速水射流枪枪头
技术领域
本发明属于高速水射流技术领域，具体涉及一种用于水射流破冰实验的球帽型高速水射流枪枪头。
背景技术
冰的物理性质在不同温度压强下具有较大的差异，其力学性能成为近年来的热门问题，其机理性质研究对于破冰、航运、极地等问题的研究具有重大意义，目前较为主流的破冰方式包括爆炸破冰，机械破冰等，爆炸式破冰主要依靠人工在水面及水下投掷炸药包或炸药包群对于冰面进行爆破，对于海洋生物的生存环境以及生态环境产生巨大影响，机械式破冰主要通过机械切割，破冰船冲撞，挤压方法进行破冰，破冰效率较低对于船体本身的结构要求较高。
高速水射流可以产生较大的压强从而对冰进行破坏，作为一种新技术，具有成本低、效率高、环保等优点，目前已被广泛应用于石油天然气勘探开发、超高压水射流钻井、钢材除锈、水力喷射分段压裂、高速水射流清洗等多种实际工况，在极地航行以及河流破冰过程中，水资源可以随时进行补充并且安全环保。高速水射流产生瞬间形成的冲击波作用于冰面可以引起冰板的变形和破坏，并且水射流可以直接冲击冰面对冰面造成弯曲破坏，水射流形成的滞后流还可以对碎冰进行清理和二次破损。
水射流破冰的机理研究中得到高速稳定的水射流十分重要，只有得到稳定的水射流才能对水射流作用于冰破坏机理进行更深入的研究，这种水射流就对于实验中的喷枪装置提出了较高的要求。
在现有对高速水射流的生成方法中，结构都和零件较多，不便于加工组装。以申请号为CN201822074855.5的发明专利高压水射流喷嘴装置及申请号为CN201911187408.3的发明专利可调多级增压水射流喷嘴为例，结构都比较复杂，生产设计上具有一定的局限性，且为了达到高速的射流效果，得到的高速流体没有本发明稳定。
在现有的水射流应用领域中，通过水射流研究冰的力学性质专利较少。以申请号CN201810604070.6的一种海上航行船体破冰系统为例，该专利主要是用水射流来切割冰，是一种机械式的破坏，与本发明不同。本发明依托的射流冲击时一瞬间产生的较大压力对冰造成破坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于水射流破冰实验的球帽型高速水射流枪枪头。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括入口稳定段、加速段和出口稳定段；所述的入口稳定段为直径为D1的管道；所述的加速段为直径从D1渐缩至D2的管道，加速段长度为L1，且满足
Figure BDA0003138487710000021
D1＞D2；所述的出口稳定段为直径为D2、长度为L2的管道，且满足
Figure BDA0003138487710000022
所述的入口稳定段的输入端设有阀门；所述的加速段直径为D1的端部与入口稳定段的输出端连接，加速段直径为D2的端部与出口稳定段的输入端连接。
本发明还可以包括：
所述的出口稳定段的输出端处由防混流轴套包裹；所述的防混流轴套将出口稳定段的高速水流与空气隔开，防止空气回流与水流混合；所述的防混流轴套与出口稳定段的输出端连接处呈倒角α，且α＜30°。
所述的入口稳定段、加速段和出口稳定段同轴对称，入口稳定段的直径D1≤10mm。
本发明的有益效果在于：
本发明生成的球帽状高速水射流冲击在冰板时瞬间形成的冲击波，该冲击波会使冰结构表面迅速产生裂痕，水射流形成的滞后流对于冰板产生二次冲击对于冰的结构进行二次破坏。本发明具有防混流的优点，生成的水射流不易与空气混合，射流的冲击性更好，且冲击到冰板等结构物上的压力便于测量，也更容易复现，从而对水射流冲击等机理研究实验提供稳定实验状态，在试验中更容易定量的分析出射流的性质和机理。本发明结构简单，产生的射流对环境无污染，且成本低廉，便于设计与生产。
附图说明
图1为本发明的结构示意图
图2为本发明的喷嘴处局部放大图。
图3为高压装置的结构图。
图4为防混流装置的工作示意图。
图5为本发明产生的球帽状高速水射流示意图。
图6为球帽状水射流与普通水射流的压力差异对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明设计了一种用于水射流破冰实验的球帽型高速水射流枪枪头，由阀门(1)、入口稳定段(2)、加速段(3)和出口稳定段(4)和防混流装置(5)五部分组成。
所述的阀门(1)用于其和高压装置相连，阀门(1)控制高压水流与枪头的连通。
所述的入流稳定段(2)用于稳定阀门(1)在打开过程中产生的不稳定流，同时保证加速段(3)起始处具有稳定的压力。入流稳定段(2)直径为D1，且要求D1≤10mm。
所述的加速段(3)为细长锥体，该锥体剖面上下对称结构，长度为L1，与入流稳定段(2)相连处直径为D1，与出口稳定段(4)相连的直径为D2。该段的缩进角θ应小于5°，即要求
Figure BDA0003138487710000031
以此保证速度梯度变化的均匀。进口直径D1比出口直径D2大，根据流量的守恒，出口速度变快，达到加速的效果。
所述的出口稳定段(4)被防混流装置(5)包裹，出口稳定段(4)稳定加速段(3)出口处的不稳定流，该段长为L2。L2与直径D2的比值应在1-3之间，以此来保证流体运动充分发展，使水流速度达到稳定。
防混流装置(5)为一轴套装置，将出口稳定段(4)的高速水流与空气隔开，防止空气回流与水流混合，从而造成水射流的不稳定性，如图2所示，可以看出轴套与出口稳定段(4)的出口连接处呈一定角度，该倒角α应小于30°。
实施例1：
如图3所示，在一定压力下，向上部罐注水。活塞在水压作用下向下移动，气体沿着出口排出。然后关闭进水口，压缩机通过进气口将高压气体注入下罐，在此过程中水压逐渐上升到目标值。同时，将高压气罐与多个高压气瓶连接，通过增加气体体积来减少实验中水压的损失，通过此高压装置来为整个系统提供稳定压力。
当实验开始后，首先通过高压装置与阀门(1)相连，此时保持阀门(1)的闭合，待压力稳定后打开阀门，此时高压流体迅速通过阀门(1)进入入流稳定段(2)，由于阀门完全开启需要一定时间，高压水流在入流段稳定后进入加速段(3)并在加速度出口处得到最大速度，出口稳定段(4)将加速段得到的最大速度再次稳定，经防混流装置(5)作用即可形成稳定的球帽状高速水射流，其球帽处直径为出口稳定段直径D2的3-5倍。
球帽状水射流可以在初始阶段产生比普通水射流更大的压力，通过图6可以看出，当水射流在稳定状态时，其压力大小为2Mpa，而在初始得瞬间会产生28Mpa得压力，此时对物体的冲击作用较大，更容易让结构发生破坏作，具有较好得应用前景。
本发明的有益效果在于：
本发明生成的球帽状高速水射流冲击在冰板时瞬间形成的冲击波，该冲击波会使冰结构表面迅速产生裂痕，水射流形成的滞后流对于冰板产生二次冲击对于冰的结构进行二次破坏。本发明具有防混流的优点，生成的水射流不易与空气混合，射流的冲击性更好，且冲击到冰板等结构物上的压力便于测量，也更容易复现，从而对水射流冲击等机理研究实验提供稳定实验状态，在试验中更容易定量的分析出射流的性质和机理。本发明结构简单，产生的射流对环境无污染，且成本低廉，便于设计与生产。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于水射流破冰实验的球帽型高速水射流枪枪头，其特征在于：包括入口稳定段、加速段和出口稳定段；所述的入口稳定段为直径为D1的管道；所述的加速段为直径从D1渐缩至D2的管道，加速段长度为L1，且满足
Figure FDA0003581231200000011
D1＞D2；所述的出口稳定段为直径为D2、长度为L2的管道，且满足
Figure FDA0003581231200000012
所述的入口稳定段的输入端设有阀门；所述的加速段直径为D1的端部与入口稳定段的输出端连接，加速段直径为D2的端部与出口稳定段的输入端连接；所述的出口稳定段的输出端处由防混流轴套包裹；所述的防混流轴套将出口稳定段的高速水流与空气隔开，防止空气回流与水流混合；所述的防混流轴套与出口稳定段的输出端连接处呈倒角α，且α＜30°。
2.根据权利要求1所述的一种用于水射流破冰实验的球帽型高速水射流枪枪头，其特征在于：所述的入口稳定段、加速段和出口稳定段同轴对称，入口稳定段的直径D1≤10mm。
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