第1页：复习：空化与空化射流定义
- 什么是空化？空化是流动场中由于压力降低而产生空气腔、水蒸气腔或真空腔的现象。
- 什么是空化射流？空化射流是人为引入或调制空化以提高射流冲蚀能力的射流。
第2页：复习：空化的三个阶段
空化射流一般经历三个阶段：
- 空化初生；
- 气泡长大；
- 气泡溃灭并生成微射流。
第3页：复习：空化判断题
- 空化只发生在液体中，在任何情况下都不会出现在空气或固体中。（ ）
- 空化源于局部压力降低，一般出现在湍流与涡旋强度较大的流动区域。（ ）
- 空化是一种动力学现象，层流中不会发生空化。（ ）
第4页：复习：识别空化模式
识别下列空化模式：
- 固定空化
- 尾流空化
- 旋流空化
- 剪切流空化
- 共振流空化
第5页：复习：涡旋合并的条件
- 固定空化；2) 尾流空化；3) 旋流空化；4) 剪切流空化；5) 共振流空化。
有利于涡旋合并与长大的优选结构：
与之对应的无量纲数称为斯特劳哈尔数。
第6页：复习：空化数判据
请解释空化数的定义，并依据右侧参数分析空化倾向。
当 K 小于 0.5 时，射流将发生空化。
第7页：复习：参数影响判断（一）
- 环境压力越低，越容易发生空化；
- 温度越高，越容易发生空化；
- 射流相对速度越高，越容易发生空化。
第8页：复习：参数影响判断（二）
- 含气量影响气泡数量与空化区域面积，但不改变单个气泡溃灭的剧烈程度。
- 表面强度会抑制空化。
第9页：复习：聚合物添加剂作用
- 解释聚合物添加剂对射流切割的作用。
- 微观机理：线性结构与水的聚集体减少对周围流体的卷吸。
- 宏观机理：宏观大尺度结构卷吸的周围流体更少。
- 大分子对靶材的轰击作用。
- 思考：为什么某些聚合物在极高压射流下对性能没有改善作用？
第10页：第三章：先进射流特性
- 章次
- 第 3 章
- 主题
- 先进射流特性——空化射流、聚合物溶液射流与星形射流
- 学时
- 4 学时
第11页：第三章内容路线图
- 空化射流
- 聚合物溶液射流
- 星形射流
第12页：空化射流的内容框架
- 空化的定义与总体描述
- 空化初生模式
- 空化数与参数影响
- 空化射流的研究方法
- 空化的作用特征
- 关于空化侵蚀的一般认识
第13页：空化的定义
- 定义
- 按现象定义，空化是流场中空气／水蒸气／真空气泡的产生与溃灭过程，并伴随剧烈的声响。
- 与沸腾的区别
- 液体被加热至沸腾或压力降至饱和蒸气压以下时，溶解气体与蒸气析出形成气泡；由温升引起的称为沸腾，由压力降低或速度变化引起的称为空化。
第14页：空化的现象与初生条件
流场中的空化一般经历三个阶段：空化初生、气泡长大、气泡溃灭。
射流中空化初生与气泡长大是最复杂的过程，取决于多种因素，其中环境压力与射流压力之比、温度、溶解气体与添加剂起主导作用。初始区与过渡区压力较低，是空化易发生的潜在区域。
第15页：射流对称面的涡量场
射流对称面上的涡量场分布（单位 m/s·m⁻¹），涉及出口直径 d₀ 与速度 V。
第16页：淹没条件下的气泡溃灭位置
- 淹没射流时，涡旋强度一般在射流初始段的剪切层内增大，涡心处压力随之降低，从而发生空化。
- 自由射流时，压力略有回升的区域位于喷嘴出口下游某一喷距处，对空化射流约为 (5～10)d₀。
第17页：L&W喷嘴下的溃灭位置
越过连续水射流的初始区继续向下游运动，涡旋强度降低，相应压力逐渐回升，从而引起气泡溃灭。
对 L & W 喷嘴，该位置约为 5～9 d₀。
第18页：微射流的产生机理
- 射流中局部压力升高立即作用于气泡，导致空化气泡变形与迅速溃灭。
- 气泡溃灭过程中，侵入的水粒子以极高速度形成微射流。
- 微射流方向与速度随机，当固体靶件阻挡射流时会在其表面产生超高冲击压力。
第19页：气泡溃灭与微射流示意图
气泡溃灭与微射流生成：
- 具有一定真空度的气泡形状不稳定
- 水粒子侵入、气泡变形
- 破裂、冲击并生成微射流
第20页：空化的三个基本要点
- 只出现在液体中，绝不会出现在空气流动或固体运动中。
- 空化是一种动力学现象，层流中不会发生。
- 空化源于流场中局部压力降低，因而可通过调节压力降低的程度加以控制。
第21页：空化初生的五种模式
- 固定空化初生
- 尾流空化初生
- 旋流空化初生
- 剪切流空化初生
- 共振流空化初生
第22页：固定空化初生
- 发生空化的区域在空间位置上固定，通常靠近固体表面。
- 由于空化区末端出现流体掺混或回流，气泡可在此长大并溃灭。
- 该区域会出现强烈振荡。
固定空化源于流动惯性导致的局部压降，C = 0.80。
第23页：尾流空化：绕流流态转换
流体高速通过弯曲边界时发生的流态转换。
第24页：尾流空化的三种流态
- 绕流流线型物体的流场；
- 尖缘物体后带涡街的尾流；
- 球体后方的低压区。
第25页：尾流空化的成因与启示
- 流体绕固体物流动时，在截面形状突变的固体后方通常出现强湍流与涡旋。
- 该区内可能生成、长大并溃灭瞬态气泡；行迹气泡可出现在靠近固体表面的低压区，或高湍流剪切层中运动涡旋的核心。
思考：为什么水中许多物体与生物呈流线型？——适者生存。
第26页：旋流空化初生
- 这是最早由肉眼观察到的一类空化。
- 常出现在船舶螺旋桨桨梢，因而有时称为桨梢空化。
- 只有当空泡在固体表面或其附近溃灭时，才会发生强烈的空化侵蚀。
低压由轮毂涡产生。
第27页：旋流与尾流两类喷嘴对比
两种典型喷嘴：旋流空化初生型与尾流空化初生型。
第28页：剪切流空化初生
剪切流空化的特征是具有连续而宽广的振幅与频率谱。
第29页：共振流空化初生（一）
共振流空化初生结构：a) 亥姆霍兹共振腔；b) 管风琴式；c) 自共振。
第30页：共振流空化初生（二）
当共振射流的调制频率处于适合涡旋合并与长大的范围内时，脉动有助于在剪切流中激发强烈空化。
当斯特劳哈尔数满足要求时，涡波将被自激放大。
第31页：空化数与临界值
- 空化数 K
- 表征空化出现概率与程度的指标。
- Pa
- 环境压力
- Pv
- 汽化压力
- Vj
- 射流相对于周围流体的速度
空化开始发生时 K = Ki，称为空化初生数；空化进一步发展时 K 远小于 Ki。对连续淹没射流，Ki = 0.4～0.5。
第32页：流动与环境参数的影响
- 环境压力：越低越容易空化；
- 温度：越高越容易空化；
- 相对速度：越高越容易空化。
第33页：含气量与表面强度的影响
- 含气量增加气泡数量与空化区域面积，但不增强单个气泡溃灭的剧烈程度。
- 表面强度会抑制空化。
第34页：空化射流研究方法（一）
1) 冲蚀试验方法。空化可在射流中心起始，也可形成旋流射流。
第35页：空化射流研究方法（二）
2) CFD 方法：分析剪切层中的涡旋、小涡中心与三个小涡的共同中心。
第36页：空化射流研究方法（三）
- 流场测试；
- 声学测量。
第37页：空化的作用特征概览
- 超高压
- 强烈而尖锐的声学噪声
- 冲击固体时的局部高温发射
- 优点与缺点
第38页：空化的超高压力
- 早期忽略液体可压缩性，空化压力曾被认为是水击压力。
- 在一些激光产生气泡的研究中，曾测到高达 100 MPa 的峰值压力，这远高于水击所能产生的量级。
第39页：空化射流冲击压力公式
在等温压缩过程中，空化射流中微射流压力为：
- Pc
- 空化压力
- Pd
- 射流动压力
- 溶解气体体积分数
- 可通过实验测定
第40页：空化压力的实验结论
实验测得，在相同条件下 pc = (8.6～124) pd。
流体中含气量越少，产生的压力越大。
第41页：空化的声学噪声特征
- 自激射流中的空化噪声在频谱上分布于 5 Hz 至 180 kHz。
- 30 kHz 以上的噪声信号随距离增加迅速衰减。
第42页：空化的局部高温效应
- 某些材料的空化侵蚀严重到无法用水击解释，推动了空化效应的进一步研究，但关于热点温度测量的实验数量有限。
- 曾在气泡溃灭时探测到 4300±200 K 的有效温度发射。
第43页：空化发光与荧光效应
气泡溃灭伴随的闪光与荧光效应。
第44页：空化射流的优缺点
- 优点
- 降低了对作业设备的要求；切口宽度明显大于连续射流，因而清洗效率更高；水下性能优于连续射流。
- 缺点
- 切缝宽且切口质量相对较差；对喷距与环境压力的允许范围有限。
第45页：空化侵蚀的一般认识（一）
- 蒸气与气体「空穴」的非均相混合物常导致邻近材料结构迅速破坏。
- 关于「空化场」对相邻固体材料造成快速破坏的机理，目前认识十分有限。
第46页：空化侵蚀的一般认识（二）
1.6 关于空化侵蚀的一般认识（配图说明页）。
第47页：空化侵蚀的一般认识（三）
- 在一定条件下，空化甚至能对最强、最硬的材料造成破坏。
- 空化点蚀有时表现出机械冲击的特征。
第48页：空化射流的应用建议
- 在近大气压下，只要射流速度超过某一数值（依液体成分而定），所有淹没水射流都可能发生空化。
- 淹没空化射流清除的材料量约为空气中空化射流的两倍。
第49页：聚合物溶液射流的内容框架
- 聚丙烯酰胺对射流的微观机理
- 流动结构的宏观放大
- 大分子聚合物的轰击作用
- 聚合物结构的减阻功能
- 高速流动下的分子结构破坏
- 添加剂的类型与应用
第50页：聚合物的分子键合机理
1) 分子键合（化学键结合）：在丙烯酰胺／丙烯酸共聚物的水溶液中，水与聚合物之间发生氢键结合，分子量约为 (16～18)×10⁶。
第51页：分子链上的水合作用
2) 每个单元上连接的分子链：水分子与聚合物单元的氢键结合并不在结合一个水分子后终止，水分子之间会继续水合。
对聚丙烯酰胺与聚丙烯酸盐，每个重复单元上连接或结合的水分子数分别为 13 和 14。
第52页：高速射流中的线性排列
3) 在高速喷射的聚合物喷射条件下，容易把 SUPER-WATER 大分子及其缔合的水聚集体看作沿流动方向线性排列。
第53页：水鞘结构的形成
4) 「水鞘」的形成：若认为聚合物主链基本呈线性且聚合物浓度足够，SUPER-WATER 分子能够键合水，形成纵向的圆柱形「水鞘」结构，并使射流与周围流体隔离。
第54页：水鞘对射流的稳定作用
5) 这种伸展结构或水鞘有望稳定射流、降低湍流，并抑制边界层中涡的形成，因为其较大的力学强度能够抑制径向运动。
注：vortices 与 vortexes 均为 vortex 的复数形式。
第55页：宏观结构的聚焦作用
- 螺旋状或任何有序伸展的宏观结构都可能带来射流的表观聚焦。
- 关键特征是聚合物的分子结构被插入到水中。
第56页：黏性流中的结构放大
黏性流中的流动结构放大：扰动被削弱，小尺度结构变为大尺度结构。
小湍流结构意味着能量快速耗散。
第57页：雷诺数对射流结构的影响
Re = 20000 时的结构形态与 Re = 500 时的水射流非常相似。水中加入聚合物后，射流周围结构数量减少但尺度增大。雷诺数越大，射流越宽。
第58页：聚焦射流的实验效果
- 压力
- 63 MPa
- 喷嘴
- 直径 1.7 mm
- 流量
- 12 gpm（0.757 L/s）
实验确定：在清洗浸没于水或油井衬管中的堵塞缝隙时，聚合物射流的有效喷距提高了 15～30 倍；SUPER-WATER® 溶液可使聚焦距离延长 10 英尺以上。
第59页：表面活性剂射流的速度剖面
Re = 5000 时水射流与表面活性剂溶液射流的平均速度剖面比较（淹没条件下射流的径向速度分布）。
第60页：大分子聚合物的轰击作用
在短时高压喷射过程中，SUPER-WATER® 大分子及其缔合的水聚集体没有足够时间完成跟随水流的充分伸展、弯曲或扭转，结果由于其刚性与惯性，聚合物分子的轰击增强了射流对靶材的作用效果（松弛效应）。
第61页：聚合物射流切割砖材试验
- 试件
- 红砖 11½″×3½″×3½″；耐火砖 9″×4½″×2½″
- 条件
- 以 1 ft/sec 走刀 6 次，9000 psi、12 gpm，喷嘴直径 0.067 英寸
- 喷距
- 9 英寸
第62页：聚合物的减阻功能
- Re > 2×10⁴ 时，两者数值大致相同。
- 4×10³ < Re < 2×10⁴ 时，摩阻系数明显更小。
- Re < 4×10³ 时，摩阻系数更大。
第63页：柔性喷杆的压降数据
配备 0.6 mm 直径端部喷嘴的柔性喷杆（100 ft × ¼ inch）的压力降数据。
第64页：球体阻力系数的有趣现象
球体的阻力系数——一个有趣的现象：两者哪个更大？
第65页：高速流中分子结构的破坏
不同雷诺数下表面活性剂溶液射流中心线平均速度的衰减。
黏性流表征低速流动，惯性流表征高速流动。
第66页：SUPER-WATER的应用领域
SUPER-WATER® 可提高高压水射流的作业效率，应用于：
- 清洗
- 除垢
- 切割（lancing）
- 排污（去污）
- 水下作业
- 钻孔
- 切割
- 压裂破碎
第67页：星形射流的研究框架
3 星形喷嘴射流，旨在给出一种射流研究方法：
- 背景与目的
- 对比研究方法
- 喷嘴设计
- 实验方法
- 实验结果
- 结论
第68页：星形射流的研究背景（一）
1990 年以前，水射流喷嘴的研究主要集中在圆形喷嘴，具体涉及收缩形式、表面加工质量与射流性能的调制。圆射流的理论与应用已相当完备和成熟。
第69页：星形射流的研究背景（二）
- 但在高压下，圆射流并非绝对比其他形状射流更高效。
- 近年来，一些出口截面非圆形的新型喷嘴在水射流清洗工业中表现出很高的效率。
第70页：星形射流的对比研究方法
在两种条件下进行对比研究：
- 非淹没条件：测量雾化起始的喷距；
- 淹没条件：测量速度场。
第71页：星形喷嘴的设计原则
设计原则：
- 星形喷嘴只改变出口段的截面形状，其他参数与圆喷嘴相同；
- 喷嘴出口截面呈轴对称。
第72页：星形喷嘴的截面积
星形喷嘴的出口截面积计算，配合星形喷嘴示意图说明。
第73页：星形喷嘴的参数表
喷嘴参数：下表列出试验喷嘴的几何参数。
星形与圆形试验喷嘴参数| 喷嘴型式 | 流量系数 | 当量直径 Dn (mm) | 最小直径 (mm) | 最大直径 (mm) | 出口段长度 (mm) | 收缩角 α (°) | 入口直径 (mm) |
|---|
| 圆形 | 0.98 | 6 | 6 | 6 | 18 | 20 | 18 |
|---|
| 星形 | 0.98 | 5.97 | 3.61 | 18 | 20 | 18 | * |
|---|
说明：源文该行数据粘连严重（如 0.98 5.97 3.61 18 20 18 *），表中按喷嘴几何参数的常规顺序切分，星形喷嘴入口直径源文标注为「*」，建议对照原图核对。
第74页：非淹没条件下的实验方法
非淹没条件：两只喷嘴并联连接到对称设计的上游入口管路，试验同时进行。
第75页：淹没条件的PIV测试方法
淹没条件：采用 PIV（粒子图像测速）技术，在相同的上游与下游流动条件（包括出口速度、约束方式等）下测量两只喷嘴射流的速度场。
第76页：实验方法示意图
3.4 实验方法（配图说明页）。
第77页：空气中射流直径对比
在空气中，星形射流在 (10～100)d₀ 范围内直径几乎不增加（与圆喷嘴对比）。
第78页：空气中初始段长度对比
星形射流的初始段明显更长（与圆喷嘴对比）。
第79页：淹没实验的条件
- 条件
- 出口速度 15 m/s，相应雷诺数 4×10⁴
- 约束管直径
- 110 mm，远大于喷嘴直径
第80页：圆射流的速度场
圆射流的速度场：喷距 SOD = (0～7)de。
第81页：星形射流短轴面速度场
星形射流在短轴平面上的流场：喷距 SOD = (0～7)de。
第82页：星形射流长轴面速度场
星形射流在长轴平面上的流场：喷距 SOD = (0～7)de。
第83页：中心线速度对比
星形与圆形喷嘴射流中心线速度的对比（无量纲喷距—无量纲中心线速度）。
第84页：中心线动压与速度对比
中心线动压与速度的对比（无量纲喷距—动压与平均速度），与圆射流相比较。
第85页：星形射流的结论
- 在空气中喷射时，星形喷嘴可大幅提高射流聚焦性或初始段长度，因而更适用于清洗与切割。
- 在淹没条件下，星形喷嘴在 6～14 de 的喷距范围内使中心线速度提高约 20%、中心线动压提高约 45%。
第86页：第二次作业
- 在水射流中可用聚合物抑制射流雾化从而延长射程，请描述聚合物发挥作用的微观机理并据此选型。
- 请写出水射流空化数的计算式，并分析各因素对射流空化的影响。
