重庆大学卢义玉教授团队：自增压脉冲射流的形成原理及特点 | CJME论文推荐
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Ge, Z., Ling, Y., Tang, J. et al. Formation Principle and Characteristics of Self-Supercharging Pulsed Water Jet. Chin. J. Mech. Eng. 35, 51 (2022). https://doi.org/10.1186/s10033-022-00713-4
https://cjme.springeropen.com/articles/10.1186/s10033-022-00713-4(戳链接，下载全文)
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研究背景及目的
高压脉冲水射流技术在岩石破碎领域具有较高的开发潜力。现有类型的脉冲射流存在加压困难和调频不便等问题而难以满足现场需求，本文提出一种自增压脉冲射流发生方法，该方法无需额外的动力源，通过合理地结构设计及管路连接，在较小的进口压力下就能获得较高的脉冲压力，且脉冲压力和脉冲频率均可调节。为丰富脉冲射流发生理论和推广脉冲射流的现场应用奠定了基础。
图1 脉冲射流的类型
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试验方法
试验分为两个部分，第一部分为射流压力采集和射流形态观测试验，第二部分为射流破碎花岗岩试验。第一部分试验在四维水射流外部平台进行，完成试验系统管路和线路连接后，通过调整相机位置和焦距调节拍摄区域，用钢尺对拍摄区域进行标定，为了方便统一后处理，只保留射流区域附近的图像，保留的射流区域实际尺寸为180mm×35mm。为精准捕捉一个周期内射流形态的变化过程，设置相机拍摄速度为 22000帧/秒。打开进水阀，水在重力作用下进入水腔并产生低压射流。将溢流阀和节流阀开度调至最大，开启液压泵的同时开始采集数据，此时进口压力最低，根据笔记本上显示的进油压力缓慢调节溢流阀开度，直到进口压力达到设定值，然后锁紧溢流阀，再根据试验参数调节节流阀开度。进油压力、射流压力和回油压力采集的同时对喷嘴出口射流形态进行采集。完成后关闭液压泵和进水阀，并保存数据。第二部分试验在四维水射流外部平台进行，破岩靶距调整完毕后将花岗岩固定，将喷嘴对准冲蚀面中心，为消除设备启动过程的影响，试验前先将一块钢制挡板遮挡于喷嘴与岩样之间，待射流稳定至所需压力后再迅速抽开挡板，试验结束后将岩样晒干，用填砂法测量冲蚀坑体积。
图2 自增压脉冲射流压力测试系统原理
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结果
在低压油的持续注入下，通过发生装置内部活塞和阀芯的运动耦合就能行成自增压脉冲射流。射流压力和射流形态均呈周期性变化，射流的增压是在活塞的冲程阶段产生，射流压力的上升、稳定和下降分别对应活塞冲程加速、匀速和减速三种状态。射流出于低压状态时，射流呈细线状，在射流增压的初始阶段，在空气摩擦阻力的作用下形成伞状结构，射流出于增压稳定阶段时，射流形态由细线状变为喇叭状。实际增压比与理论增压比基本一致，达到了理想的增压效果。节流阀开度保持最大，活塞冲程流量从8.5 L/min升到18.7 L/min时，脉冲频率从0.9 Hz升到2.56 Hz，脉冲持续时间从0.54 s降到0.25 s。进口压力保持8 MPa不变，活塞回程流量从1.1 L/min升到8.7 L/min时，脉冲频率从0.67 Hz升到2.33 Hz，脉冲持续时间为维持在0.27 s。活塞冲程流量决定了脉冲频率和脉冲持续时间，而活塞回程流量的改变只起到调频作用。在自增压脉冲射流冲蚀下，花岗岩表面能够行成明显的片状剥落，平均冲蚀体积达到4.68 cm3。
图3 进口压力、射流压力和出口压力随时间的变化曲线
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结论
提出了一种自增压脉冲水射流发生方法，通过装置结构设计及管路连接，在液压油和低压水持续注入的情况下，利用阀芯和活塞行程的相互反馈，就能形成自增压脉冲水射流且脉冲压力、脉冲频率和脉冲持续时间可调。
实验结果得到了射流压力和射流形态周期性变化规律，射流压力的上升、稳定和下降分别对应活塞冲程加速、匀速和减速三种状态并分别对应活塞不同的运动状态，实测增压比与理论设计值基本一致，从而验证了该方法的可行性。
随着活塞冲程流量的升高，脉冲压力和脉冲频率升高，脉冲持续时间下降，随着活塞回程流量的升高，脉冲频率升高，脉冲压力和脉冲持续时间不变，装置结构参数对脉冲频率和脉冲持续时间的影响规律有待进一步研究。
自增压脉冲射流可以达到破岩所需的门限压力，岩石表面的片状剥落是在水锤压力、高速侧向流和高频动载荷共同作用下引起的剪切破坏和拉伸破坏所形成的，研究结果为脉冲射流的现场推广应用奠定了基础。
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前景与应用
自增压脉冲射流的形成无需高压元件和电控元件就可以达到破岩的门限压力，不仅使用方便且成本低廉，而且安全性也能得到保障，可与以液压泵为动力源的工程机械进行集成，实用性较强，具有广阔的工程应用前景。
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团队主要从事矿山动力灾害防治、非常规天然气开发、高压水射流理论及技术等方向的研究。
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编辑：谢雅洁 校对：向映姣
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