基金項目：國家自然科學(xué)基金重點項目（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，空化射流將促進射流進行低能高效的工作，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)用價值。為此，本文設(shè)計了不同型式的噴嘴，對其產(chǎn)生的空泡云進行對比分析和巖石沖蝕的空化射流實驗裝置，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.實驗采用500萬像素的數(shù)碼相機、尼康高速照相機攝取空泡云圖片，閃光燈從后觀察窗口輸入光源，高速照相機拍攝速度5000fps.空化射流實驗裝置圖實驗設(shè)計的縮放型空化噴嘴收縮角為15*，擴散角18*，喉管直徑1mm，如（a）。為分析比較，實驗還設(shè)計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)育與空泡云長度實驗研究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，其空化能力的強弱取決于噴嘴形狀、來流紊動強弱、速度、系統(tǒng)壓力、流體性質(zhì)等因素。空化水射流沖蝕能力強弱受制于空泡云的發(fā)育狀況。空泡云的產(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)生于壓強最低的喉管部位，這里流速最大，壓強低于汽化壓強。喉管處產(chǎn)生的空泡很快被高速水體帶走，并跟隨射流運動，與水體形成液氣混合體，從而形成空泡云。空泡云形成后射流密度、黏性系數(shù)都將受到影響而發(fā)生變化，有：度；分別為液體、空泡的體積分數(shù)；一，柬，分別為混合體、液體、空泡的動力黏性系數(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。實驗中采用了數(shù)碼相機，對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行了攝影。收縮噴嘴在圍壓0.9MPa，泵壓18MPa下，采用數(shù)碼相機拍攝的空化云如。

　　數(shù)碼相機拍攝的空泡云如。

　　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、直至潰滅的幾個過程。收縮噴嘴的空泡云發(fā)育過程主要受泵源脈動影響，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驗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，本文在實驗中對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行了實驗，通過高速照相機獲得圖片，利用高速照相機的MotionCentral軟件平臺下的坐標(biāo)，由已知的噴嘴外徑，計算出空泡云長度，取3次實驗平均值。

　　實驗中，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.高速照相機拍攝速度5000fps，像素640x480.實驗獲得泵壓對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，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)。對于普通收縮噴嘴，對比實驗發(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對上述縮放型空化噴嘴，在系統(tǒng)泵壓八=18MPa下，改變圍壓，實驗獲得了圍壓對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時空泡云長度達到最大，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驗中，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。試驗所用的各種測量儀表都具有足夠的精度，并經(jīng)常進行校準(zhǔn)，每個環(huán)節(jié)的試驗和測量條件一致，以保證重復(fù)多次測量的準(zhǔn)確。每個噴嘴的沖蝕試驗進行3次，對于多次重復(fù)的試驗結(jié)果，按狄克遜準(zhǔn)則進行分析處理。

　　4.1泵壓對巖石沖蝕質(zhì)量的影響實驗在圍壓Pamb=0.9MPa、有效靶距直徑比為6mm、沖蝕時間為3min的實驗條件下，分別對縮放型空化噴嘴、普通收縮型噴嘴進行了巖石的沖蝕性能實驗。試件米用直徑500mm，厚30mm的砂巖，砂巖抗壓強度為93.15MPa.實驗結(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，對砂巖的沖蝕質(zhì)量平均是普通射流的7倍。此實驗結(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，縮放型空化噴嘴對砂巖的沖蝕實驗結(jié)果如圖（c）圍壓與沖蝕質(zhì)量關(guān)系曲線圍壓對沖蝕性能的影響中，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2.6MPa時，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、直至潰滅幾個過程。本實驗條件下，空化射流在巖石切割實驗中，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。縮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時空泡云長度達到最大，之后隨著圍壓的增加，空泡云長度逐漸減少。

　　對砂巖的沖蝕實驗表明，在相同的實驗條件下，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的沖蝕能力，對砂巖的質(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際應(yīng)用。

　　縮放型空化噴嘴產(chǎn)生的空化水射流對砂巖的沖蝕深度、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2.6MPa時，切割能力已較微弱。