專利名稱：一種組合式中心體空化噴嘴的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高壓水射流噴嘴領域，特指一種應用在高壓清洗行業(yè)中的中心體式空化射流噴嘴。
背景技術：
高壓水射流技術是近些年發(fā)展起來的一門新技術，目前已滲透到采礦、機械制造等多個行業(yè)。目前應用于大型換熱器、火車機車、船舶的水下部分的清洗作業(yè)中的高壓射流設備均體現(xiàn)出了它們獨特的優(yōu)勢。在高壓清洗作業(yè)過程中，經增壓器增壓后，流體壓力可達數(shù)十兆帕，當噴嘴出口直徑為Imm左右時，射流的初始速度可達220米/秒以上，具有很強的沖擊力。噴嘴是整個射流系統(tǒng)的關鍵部件，噴嘴的內流道形狀決定著射流束的集聚性與能 量特征，而噴嘴內流道內發(fā)生空化的可能性極大，產生的空化泡隨主流噴出后，由于環(huán)境壓力較高，空化泡將發(fā)生潰滅，產生的瞬時壓強作用于物體表面，將對局部表面產生很大的沖擊壓力，對物體表面造成侵蝕。將高速射流的動量變化與空化泡侵蝕兩種效應相結合將產生很好的清洗效果。目前的噴嘴存在的問題在于(I)如現(xiàn)在石油鉆探行業(yè)沿用的類似于文獻[I]研究的空化噴嘴，其噴嘴出口前為一空腔，流體流出噴嘴前，在空腔內產生劇烈撞擊、回彈和旋渦，出口處可以產生空化現(xiàn)象，但其產生的空化射流不連續(xù)，若應用于清洗作業(yè)，作業(yè)效率和可操作性都會大大降低([I] Jonhnson V E Jr, Conn A F et al.Self-resonating cavitating jets. Proceedings of 6th International Symposium onWater Jet Technology, England, 1982. ) ； (2)如類似于文獻[2]研究的噴嘴，出口附近的流道形狀由斷面面積收縮過渡到斷面面積突然擴大，由于流體被加速，空化現(xiàn)象會發(fā)生在低壓區(qū)，并向下游延伸，但其產生的射流流束中，空化泡多集中在流束外圍，射流流體與環(huán)境介質發(fā)生剪切作用而導致大量空化泡在未到達被作用物體表面前即發(fā)生潰滅，起不到侵蝕被作用物體表面的作用([2]Akira Sou, Shigeo Hosokawa, Akio Tomiyama. Effectsof cavitation in a nozzle on liquid jet atomization. International Journal ofHeat and Mass Transfer, 2007, 50:3575-3582.) ； (3)如文獻[3]中提到的圓柱狀中心體空化噴嘴中，圓柱狀的中心體的下端凸起使得滯止區(qū)的面積較小，空化效果不明顯([3]楊敏官，肖勝男，康燦，出口形狀對中心體噴嘴射流性能的影響，流體機械，2011，39卷第五期，13-19.)，而三角形中心體空化噴嘴中，中心體兩個側面對來流流體產生的阻力較大，減弱了射流的沖擊效果?；诟咚倭黧w的流動機理以及上述噴嘴的缺點，發(fā)明了一種組合式中心體空化噴嘴。

發(fā)明內容
為了在對來流流體產生阻力較小的情況下增加連續(xù)空化射流中的空化泡密度，克服射流束空化泡分布偏向流束外圍的不足，本發(fā)明提供一種組合式中心體空化噴嘴。
本發(fā)明所采取的技術方案是，包括噴嘴外套、中心體、中心體固定座、噴嘴座；中心體呈半橢圓柱狀，中心體固定座為圓筒狀，分為上、下兩部分，上、下兩部分的內、外徑相同，上半部分沿底面對稱開設兩個橢圓形孔，中心體設于橢圓形孔內，中心體固定座兩部分和中心體用膠水粘接固定，中心體的矩形平面垂直于固定座的軸線方向橫向安放在中心體固定座上，且中心體的矩形平面朝下，中心體的兩個半橢圓柱狀的平面為豎直設置；中心體固定座安放在噴嘴座上且無相對運動，流體通過中心體固定座后依次通過噴嘴座的收縮通道和出流直通道；噴嘴座放置在噴嘴外套上?？紤]到噴嘴的尺寸和中心體固定座的強度要求，中心體固定座下半部分的厚度為I 3毫米。為了減小中心體對來流流體動能的損耗以及噴嘴的尺寸，中心體的長、短徑之比X為I < 2，中心體的短徑與中心體固定座內徑之比為O. 5 O. 8，比值過大會增大流體能量的損失并且是減小空化段的長度，使得空泡提起潰滅；比值太小則會降低空化的程度，減小了空化的打擊效果。中心體的矩形平面為沿短徑方向切割。噴嘴座內的收縮斷面與軸線夾角為25 30度，角度太小則會使中心體至噴嘴出口的距離增大，導致空泡在噴嘴座內潰滅，達不到空蝕效果，角度過大則會增大噴嘴座內的流體能量損失，出口速度降低，從而降低了空化噴嘴的效率。
根據流體動力學原理，噴嘴進口和出口間存在著壓差，造成流體從噴嘴進口向出口的流動，流體流經中心體時，中心體與中心體固定座兩側的間隙成為對稱過流通道，過流斷面面積的突然減小導致流體加速，根據能量守恒原理，流體的動壓增加，靜壓相應減小，根據相變理論，流體靜壓減小導致流體內空化核的長大，并且由于中心體的擾流作用，產生流動滯止區(qū)，高速流體與流動滯止區(qū)外圍存在較強的剪切作用，從而致使產生空化泡的速度更加劇烈，流體繼續(xù)經過收縮通道時，由于過流斷面的逐漸減小，流體被進一步加速，夾帶空化泡的主流中的空化泡數(shù)量進一步增加，小的空化泡有長大的趨勢?？栈F(xiàn)象的發(fā)生表現(xiàn)為不同尺度空化泡的出現(xiàn)，高速流體將空化泡夾帶至混合直通道后，流體間發(fā)生摻混，流動的湍流度增大。高速流體夾帶空化泡流出噴嘴，由于高速流體與空氣的剪切作用，在射流束外圍也產生一定的空化泡，在一定噴射距離內，高速流體動量變化產生的沖擊力和空化泡潰滅產生的局部打擊力是對被作用物體的雙重作用。本發(fā)明的優(yōu)點在于合理地利用了流體動力學原理與相變理論，兩股高速射流夾帶空化泡，且在混合流道內充分混合，通過噴嘴斷面的收縮，主流被二次加速，經過噴嘴出口斷面時的空化泡數(shù)量較多，且出口射流流束中靠近流束中心線的空化泡數(shù)量較多，對被作用物體的侵蝕和打擊作用較強。


圖I為本發(fā)明的結構示意圖。圖2為本發(fā)明的細部結構示意圖。圖中，I.噴嘴外套，2.錐形面，3.收縮通道，4 .出流直通道，5.中心體，6.中心體固定座，7.噴嘴座，8.上游段，9.過流通道，10.中心體軸截面。
具體實施例方式設有與高壓系統(tǒng)連接的噴嘴外套1，中心體5呈半橢圓柱狀，為增強互換性，設置中心體固定座6，為了便于加工，將固定座分為上下兩部分分別加工，兩部分的內外徑相同，下面部分的厚度為I 3毫米，上半部分沿底面對稱地開設兩個橢圓形孔，以便噴嘴安裝，固定座兩部分和中心體用膠水固定。中心體5垂直于固定座的軸線方向橫向安放在中心體固定座上6，中心體固定座6與中心體之間的間隙為過流通道9，中心體的上游段8正對來流方向，將中心體固定座6沿軸向安放在噴嘴座7上，中心體固定座6與噴嘴座7采用間隙配合，噴嘴座7的下端為圓錐形，與噴嘴外套I配合安裝，噴嘴座7與噴嘴外套I間無相對運動。根據流體動力學原理和相變理論，經增壓系統(tǒng)增壓后的流體流入噴嘴后，此種中心體上游端造成的流動阻力很小，流體經由過流通道9時，過流斷面面積突然減小，流速增力口，流體的靜壓減小，空化泡出現(xiàn)。而流體流出過流通道9后，過流斷面面積突然增大，流速降低，流體靜壓升高，而中心體5和中心體固定座6連接處出現(xiàn)流動滯止區(qū)，高速運動的流體和流動滯止區(qū)之間存在著很大的速度梯度，由于剪切作用造成局部渦量產生，因此空化泡產生，進入收縮通道3后，由于斷面收縮，主流被二次加速，夾帶著不同尺度空化泡的主流在出流直通道4內劇烈摻混，湍流度急劇增大，摻混的過程中，空化泡數(shù)量進一步增加， 射流束流出噴最后與空氣的剪切作用使得射流束外圍也產生一定量的空化泡。
權利要求
1.ー種組合式中心體空化噴嘴，其特征在于，包括噴嘴外套(I)、中心體(5)、中心體固定座(6)、噴嘴座(7);中心體(5)呈半橢圓柱狀,中心體固定座(6)為圓筒狀，分為上、下兩部分，上、下兩部分的內、外徑相同，上半部分沿底面對稱開設兩個橢圓形孔，中心體(5)設于橢圓形孔內，中心體固定座(6)兩部分和中心體(5)用膠水粘接固定，中心體(5)的矩形平面垂直于固定座的軸線方向橫向安放在中心體固定座(6)上，且中心體(5)的矩形平面朝下；中心體固定座(6)安放在噴嘴座(7)上且無相對運動，流體通過中心體固定座(6)后依次通過噴嘴座(7)的收縮通道(3)和出流直通道(4);噴嘴座(7)放置在噴嘴外套(I)上。
2.如權利I要求所述的ー種組合式中心體空化噴嘴,其特征在于,所述中心體固定座(6)下半部分的厚度為I 3毫米。
3.如權利I要求所述的ー種組合式中心體空化噴嘴,其特征在于,所述中心體(5)的長、短徑之比X為I < X < 2，中心體的短徑與中心體固定座內徑之比為O. 5 O. 8，中心體(5)的矩形平面為沿短徑方向切割。
4.如權利I或2要求所述的ー種組合式中心體空化噴嘴，其特征在于，所述噴嘴座(7)內的收縮斷面與軸線夾角為25 30度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種組合式中心體空化噴嘴，涉及高壓水射流噴嘴領域。本發(fā)明設置半橢圓柱狀中心體、中心體固定座和噴嘴座，中心體對來流液體產生的阻力較小，液體的能量較高，來流液體進入噴嘴內流道后，由于半橢圓柱狀中心體的作用，過流斷面面積突然減小，流體被加速，兩股高速流體在收縮通道內進行混合，中心體的擾流作用產生內部空化泡，而后主流經出流直通道后流出，出口處高速流體和空氣的剪切作用產生外圍空泡。因此空化泡不但存在于射流束外圍，也存在于射流束內部，高速流體的動量變化和空化泡潰滅時產生的瞬時壓力對被作用物體產生雙重作用。該噴嘴的高效作業(yè)區(qū)域較大，對被作用物體的侵蝕和打擊效果更好。
文檔編號B05B1/34GK102847621SQ201210187690
公開日2013年1月2日 申請日期2012年6月8日 優(yōu)先權日2012年6月8日
發(fā)明者康燦, 周亮 申請人:江蘇大學