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磨料水射流的形成方式及特点

2022-08-03 14:58 

磨料水射流是磨料颗粒与高速流动的水混合后经喷嘴而形成的高能束射流,由于在高速水中混入一定数量的磨料颗粒,从而改变了射流的流动特性和对物体的作用方式。


磨料水射流是磨料颗粒与高速流动的水混合后经喷嘴而形成的高能束射流,由于在高速水中混入一定数量的磨料颗粒,从而改变了射流的流动特性和对物体的作用方式。水射流作为磨料载体,把高压水射流束的动能传递给磨料颗粒,将连续水射流的等速核对物体的静压作用改变为对物体高频冲蚀和磨削作用,大大提高了射流的工作效率。由于磨料水射流是一种冷态的单点动能能源,对材料具有极强的冲蚀作用,并在冲蚀过程中不改变材料的力学、物理和化学性能,因而具有独特的清洗、破碎和切割性能,可用于切割热敏、压敏、脆性、塑性、复合型材料和易燃易爆物。磨料水射流有以下几种形式。


      前混合磨料水射流


前混合磨料水射流的磨料与水在喷嘴之前进行混合,    磨料罐置于高压泵与喷嘴之间的高压回路中,从高压泵泵出的水在高压磨料罐内与磨料进行初步混合,使磨料处于“拟流体”的流化状态,然后在高压输送管的混合腔内流化磨料与水掺混,再通过后继管道以悬浮态输送到喷嘴,经喷嘴加速喷射出去形成磨料水射流。前混合磨料水射流中磨料在水喷射前混合于水流中,使磨料在高压输送管内受到第一次加速。由于磨料速度松弛时间长,在喷嘴入口处,磨料与水射流保持速度平衡,两相速度差为零,磨料已进入水射流的核心部分并充分混合,混合效果好。前磨料混合方式与后磨料混合方式比,由于改变了磨料与水的混合机理,改善了混合效果,使磨料进入水射流核心部分,在喷嘴出口处具有很大的速度,获得较高的能量,因而提高了磨料的切割性能,射流的质量明显优于后者。理论上已证明了前混合射流比后混合射流具有较高的能量传输效率和较大的磨料颗粒速度。大量试验表明:用前混合式磨料射流进行切割,所需工作压力约为后混合式磨料射流工作压力的1/7~1/10.


浆液磨料射流


浆液磨料射流是一种有别于前混合磨料射流的新磨料混合方式,它由气动旋转螺杆将干磨料颗粒定量输送到气动的叶片泵前置混合器中,再由该泵将混合浆液连续输送到清洗或切割头。与此同时,喷嘴前置的高压泵(或空气压缩机)产生的水(或气)射流与喷头处的浆液混合成高压磨料射流。这种低压混合、高压作业的两步做法既解决了后混合磨料射流磨料颗粒与水混合的不均匀性,又弥补了前混合磨料射流工作压力偏低的缺陷。在较高压力作用下,喷嘴出口的磨料颗粒具有较高的速度,从而提高磨料射流的工作性能。


旋转引射式磨料射流


经高压柱塞泵加压的高压水先经过一个旋转装置,使水流产生旋转运动,然后经过水喷嘴形成旋转的水射流或直接经过叶轮导引高压旋转射流喷嘴喷出。根据普通射流的水动力学结构可知,射流的等速核内部不存在横向的速度梯度,因而射流的扩散角较小。经过旋转,水射流具有三维速度(轴向、径向和圆周),在圆周速度的作用下,水射流形成强烈的旋转,在旋转过程中向外扩散。旋转后的水射流不仅具有较大的扩散角,而且形成了大量的涡旋。许多试验以及理论分析都已证明,旋转流体在一定条件下具有波动性质,也就是说,旋转流体被赋予了伪弹性性质。它在受到扰动后会发生弹性一惯性振荡,出现弹性波和波动现象,这是一种剪切波。产生这些现象的原因是旋转流体运动中存在科氏力和离心力的作用。磨料颗粒的加入激起旋转水射流的振荡和波动。所有这些都促使磨料颗粒和水射流发生强烈的紊动混合,从而提高了水射流对磨料颗粒的卷吸能力和混合效果。


自激振荡磨料射流


自激振荡脉冲机理是稳定的流体通过一种特制新型高效能喷嘴,这种喷嘴是应用流体力学的基本原理进行设计的,采用上喷嘴、多曲面内腔室和下喷嘴等特殊结构形式。流体通过喷嘴时,上喷嘴流束中的不稳定扰动波如涡量脉冲在穿过腔内剪切层时,剪切层对其具有选择性放大作用,形成涡环结构,剪切流动中涡环与下游碰撞壁撞击在碰撞区产生压力扰动波并向上游反射,在上游剪切层分离处诱发新的扰动产生,当新扰动与原扰动频率匹配且具有合适的相位关系时,射流上游就不断地周期性振荡,其固有波形受到调制,腔内就诱发产生自激振荡。这种振荡是在不加任何外界控制或激励的情况下产生的,故称之为自激振荡。


后混合磨料射流


目前我国研究和应用的磨料射流大多数是后混合方式。它是根据古老的引射器原理进行设计的经高压泵泵出的高压水通过水喷嘴而形成高速水射流束,由于水射流束对周围空气的卷吸作用,在磨料混合腔内形成一定的真空度,从而使磨料和混合腔之间的供料管产生一定的压力差。磨料在自重和压力差的共同作用下通过气力运输而被抽吸进入混合腔内,并与水射流发生紊流振动扩散与掺混,再通过磨料喷嘴而形成水射流。



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