空气-水两相射流的冲蚀特性及机理研究

空化泡溃灭时，其壁面会向内形成一穿透空泡的微射流，导致局部高温高压，从而对周围物体造成破坏或损伤，这称为空蚀。因此，空化射流可用于物料清洗及材料切割。有趣的是，水中的空气泡破裂时同样可以形成微射流，这表明空气-水两相射流可能同样具有冲蚀能力。已有相关的试验现象证明两相射流在某些工况下具有与空化射流接近甚至更强的冲蚀能力。申请人对水枪的研究也发现采用空气-水两相射流能比纯水射流节水30%-50%。然而，到目前为止，这一现象并未引起人们的重视，尚未有人对空气-水两相射流的冲蚀特性进行系统研究。与空化射流必须达到一定工作压力相比，空气-水两相射流具有明显的优势，因为在任何工作压力下水射流中都能引入空气形成两相射流。本项目首次对空气-水两相射流的冲蚀特性和机理进行系统研究，揭示两相射流冲蚀作用的特性与基本原理，丰富两相射流理论，并促进水射流清洗、切割技术的发展。

实验证实两相射流的具有比纯水射流更强的冲蚀能力，然而其机理却仍不明确。本项目旨在研究两相射流的冲蚀特性及其机理。揭示两相射流的冲蚀机理关键在于冲蚀压力脉动和物料破损过程，以及冲蚀过程中的气泡行为及其影响的研究。本项目首先对两相射流中的气泡直径进行了测试，采用了淹没射流的方法测试发现两相射流中气泡的直径的范围为0.17mm以内。根据测试获得的气泡直径，展开了两相射流冲蚀过程中气泡行为的研究，采用VOF方法模拟了两相射流垂直冲击壁面过程中气泡的破裂行为。结果表明沿射流方向即气泡移动方向，气泡的前、后表面向内凹陷，在距离壁面还有数倍于气泡直径的位置发生接触（撞击）、破裂，形成一个或数个环状气泡，继而这些环状气泡很快破裂成数个气泡，小气泡在接近壁面区域沿流线离开冲蚀区。基于前述研究，作者提出两相射流具有更大压力脉动的原因是气泡破裂，即由气泡破裂时前后液面的撞击引起的水锤压力传递至被冲蚀表面引起的，据此分析了压力脉动的表达式组成，并用数值计算的结果拟合得出了冲蚀压力脉动的计算公式。以喷射器为核心，利用高压水泵提供的高压水射流抽吸空气形成两相射流的原理，设计并搭建了冲蚀压力脉动试验台，通过两相射流直接冲击传感器膜片测试其平均冲蚀压力，测试了含气率、冲蚀距离等参数对冲蚀压力脉动的影响。在实验参数范围内，含气率的增加使冲蚀压力脉动增强了。对冲蚀特性进行了研究，发现存在最优距离和含气率使冲蚀效果最佳。上述研究证实了两相射流的冲蚀压力脉动高于单相射流，初步解释了两相射流的气泡破裂行为及冲蚀压力脉动的机理，为两相射流的进一步研究指明了研究方向并提供了基础。