基于水力空化技术的照明炬冲蚀试验研究.pdf
爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第4 期 d o i 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n .1 0 0 1 - 8 3 5 2 .2 0 1 5 .0 4 .0 1 4 基于水力空化技术的照明炬冲蚀试验研究崇 满海涛①②罗兴柏①丁玉奎①刘国庆①甄建伟① ①军械工程学院 河北石家庄,0 5 0 0 0 3 爹7 2 3 7 3 部队 河南洛阳,4 7 1 9 0 0 [ 摘要]为了验证水力空化技术在报废弹药倒空领域的应用可行性并确定相关倒药参数,以某型照明炬为研究 对象,设计了水力空化倒空系统,研究了喷嘴入口压力、喷距和冲蚀时间对照明炬冲蚀效果的影响。结果表明水 力空化系统可以倒空照明炬;冲蚀效果随着喷嘴人I I 压力的增大而增大;喷距影响冲蚀效果,且存在最佳喷距;随 着冲蚀时间的增长,冲蚀效果在一定范围内增大,之后趋于平稳。这为弹丸装药倒空探索了一种新的技术方法。 [ 关键词] 水力空化;照明炬;冲蚀;装药倒空 [ 分类号] T J 4 1 0 .8 9 引言 弹丸装药倒空是报废弹药销毁过程中的重要工 序,目前常用的方法有⋯蒸汽加热倒药法、热水脱 药法和高压水射流倒药法等。蒸汽加热倒药法仅适 用于T N T 等低熔点的弹丸装药热水脱药法只适用 于注装装药;高压水射流倒药法主要存在作业效率 低的问题,难以实现工业化。随着采用混合装药的 弹丸逐步进人报废期,探索出一种通用性好、安全、 高效的倒药方法,是我军报废弹药销毁工作持续发 展的紧迫需求。 水力空化是指液体流过空化装置 如空化喷 嘴 时产生空化泡的一种空化现象,空化泡溃灭瞬 间形成的持续微射流和冲击波.对固体表面形成强 大的破碎作用。在国内,其应用研究主要集中在污 水处理、破岩及油罐清洗等方面[ 2 引。张军[ 4 ] 、姜 鹏[ 5 1 等对燃油喷嘴内部流场及空化进行了研究。分 析了影响喷嘴内部空化的有关参数卢义玉等[ 6 训对 淹没条件下的空化水射流破碎岩石进行了相关研 究,分析了影响空化水射流冲蚀效果的主要因素。 在国外,水力空化技术在管道清洗、污水处理及过程 强化等领域已有成熟应用,特别是俄罗斯等国已将 该技术应用于弹丸倒药并显著提高弹丸倒药效率。 目前,我国基于水力空化技术的弹丸倒药技术 还未见报道。有鉴于此,本文将以某型照明炬为研 究对象,对水力空化倒空技术进行试验探索,分析水 力空化水射流参数对照明炬冲蚀效果的影响,为弹 丸装药倒空技术提供一定的理论依据。 1 试验 1 .1 试验装置和测量方法 水力空化试验系统如图1 所示。试验装置主要 有高压水泵、空化容器和空化喷嘴。P M - 3 6 1 2 型高 压水泵,上海熊猫机械有限公司,额定功率为3k W 。 最高压力为1 7M P a ,流量为1 0L /m i n 。空化容器材 料为有机玻璃。空化喷嘴可调节高度。 1 一水箱;2 一控制阀;3 一照明炬;4 一空化容器; 5 一空化喷嘴;6 一压力表;7 一高压泵 图1 水力空化试验系统 F i g .1E x p e r i m e n t a ls y s t e mo fh y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o n 试验系统基本原理为高压水泵为水力空化的 发生提供足够的喷嘴人口压力,高速流体通过缩放 型空化喷嘴,促使空化水射流的形成。空化容器内注 满水,空化泡在空化容器内经历初生、生长、膨胀、压 睾收稿日期2 0 1 4 .1 2 - 2 2 作者简介满海涛 1 9 8 7 一 ,男,硕士研究生,主要研究领域为弹药系统设计与试验评估。E - m a i l m a n t a i h u a 1 2 6 .c o m 通信作者罗兴柏 1 9 6 2 一 ,男,教授,主要研究领域为弹药系统设计与试验评估。 万方数据 2 0 1 5 年8 月 基于水力空化技术的照明炬冲蚀试验研究满海涛.等.6 1 . 缩及溃灭的过程,空化泡溃灭瞬间对照明炬表面形 成巨大的剥蚀作用,将照明炬逐步破碎。空化容器 也用于空化冲蚀效果的可视化研究。 试验采用缩放型空化喷嘴,如图2 所示。用游 标卡尺测量冲蚀深度和冲蚀直径,用秒表记录时间。 试验材料为某型照明炬。用冲蚀体积作为评定照明 炬冲蚀效果的参数。 a 实物图 图2 缩放型空化喷嘴 F i g .2S c a l i n gc a v i t a t i o nn o z z l e 1 .2 试验方法 选取3 个相同的照明炬,进行3 组试验。第1 组试验固定喷距 2 0m m 和冲蚀时间 6 0S ,改变 喷嘴人口压力第2 组试验固定喷嘴入口压力 1 2 M P a 和冲蚀时间 6 0S ,改变喷距;第3 组试验固 定喷距 2 0m m 和喷嘴入口压力 1 2M P a ,改变冲 蚀时间。每次试验,照明炬被冲蚀成一个近似圆柱 体的凹坑。用游标卡尺测量凹坑的深度和直径。每个 凹坑测量3 次,取平均值,利用圆柱体体积计算方 法,获得照明炬被冲蚀体积。 2 结果与讨论 2 .1 喷嘴入口压力对冲蚀效果的影响’ 保持喷距2 0m m ,冲蚀时间为6 0S ,对照明炬进 行不同喷嘴入口压力下的冲蚀试验。照明炬冲蚀效 果如图3 所示;冲蚀效果参数见表1 ,其中冲蚀直径 为3 次测量的平均值。 由图3 和表1 可以看出,随着喷嘴人口压力的 增加,冲蚀深度逐渐增加,冲蚀直径逐渐减小,冲蚀 Lc p 1 0M P a 3 二, 图3 不同喷嘴人口压力下的冲蚀效果 F i g .3 E r o s i o ne f f e c tu n d e rd i f f e r e n ti n l e tp r e s s u r eo fn o z z l e 表1不同喷嘴入口压力下的冲蚀效果参数 T a b .1E r o s i o np a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n ti n l e t p r e s s u r eo fn o z z l e 体积逐步增加。 喷嘴人1 3 压力决定水力空化强度的大小,直接 影响水力空化的冲蚀效果.不考虑喷距、冲蚀时间对 万方数据 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s第4 4 卷第4 期 空化强度大小的影响,拟合出喷嘴人1 5 压力与冲蚀 深度、冲蚀体积之间的关系,对研究水力空化的冲蚀 效果有指导意义。根据试验数据,喷嘴人口压力P 和冲蚀深度日的拟合函数为 H 2 4 .0 4 77 1 3 .4 1 85 p 0 .1 6 55 4 p 2 。 1 式中H 为冲蚀深度,m m ;P 为喷嘴人1 5 压力,M P a 。 曲线如图4 所示。 f f ] ~i P a 图4 喷嘴人1 3 压力与冲蚀深度的关系曲线 F i g .4R e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n t r a n c ep r e s s u r eo f n o z z l ea n de r o s i o nd e p t h 喷嘴入口压力P 和冲蚀体积y 的拟合函数为 V 4 0 8 .1 2 22 9 2 4 .5 8 p 1 .4 0 82 1 p 2 。 2 式中y 为冲蚀体积,m m 3 ;P 为喷嘴人口压力,M P a 。 曲线如图5 所示。 p /M P a 图5 喷嘴人口压力与冲蚀体积的关系曲线 F i g .5R e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n t r a n c ep r e s s u r eo f n o z z l ea n de r o s i o nv o l u m e 由图4 和图5 可以看出,冲蚀深度和冲蚀体积 随着喷嘴人口压力的增加成二次曲线关系增加.这 与文献[ 8 ] 的研究结果是一致的。 空化数 N , 是描述空化初生和衡量空化强度 的参数.其表达式为一] Ⅳc .糕。 3 式中P 。为喷嘴人口压力,M P a ;p 为喷嘴出1 3 压力, M P a ;p 。为液体的饱和蒸汽压,M P a 。 由式 3 可知,随着P 。的增大,空化喷嘴内部的 压差会增大,空化数变大,意味着压力梯度变大,流 体速度增大,喷嘴出E l 处的低压区范围会增长,空化 区域逐步向喷嘴出1 3 的方向延伸,当空化数增加到 一定值时,空化区域就会延伸到喷嘴的出1 3 处,空化 区域明显地增大。 因此,随着空化区域的不断向前延伸,空化泡的 生长区会增长.使得空化区域内的空化泡更加充分 地生长而且剧烈地溃灭,冲蚀深度就会逐步增加;随 着空化强度的增大.空化泡的溃灭压力就会不断增 加.冲蚀效果就会越好,即冲蚀体积会逐渐变大。 2 .2 喷距对冲蚀效果的影响 喷距是指流体从喷嘴出口到照明炬上表面的垂 直距离。在保持喷嘴入1 3 压力为1 2M P a ,冲蚀时间 为6 0S 的条件下.调整喷距。观察记录对照明炬冲 蚀效果的影响。 试验用缩放型空化喷嘴的喉部直径为d 1 m m ,定义s 为喷距£ m m 与喷嘴喉部直径d m m 之比.即喷距直径比占 L /d 。 通过试验数据.可得到喷距直径比s 与冲蚀深 度、冲蚀体积之间的关系,如图6 所示。 a 冲蚀深度 b 冲蚀体积 图6 喷距直径比与冲蚀深度和冲蚀体积的关系 F i g .6S p r a yd i s t a n c ed i a m e t e rr a t i ov e r s u se r o s i o n d e p t ha n de r o s i o nv o l u m e 由图6 a 可看出,冲蚀深度随着喷距直径比的 增大而减小。由图6 b 可看出,喷距直径比在5 。 1 5 范围内,冲蚀体积随着喷距直径比的增大而增 大;喷距直径比在1 5 ~2 5 范围内,冲蚀体积随着喷 万方数据 2 0 1 5 年8 月 基于水力空化技术的照明炬冲蚀试验研究满海涛.等.6 3 . 距直径比的增大而减小;喷距直径比在2 5 以后.冲 蚀体积大幅度减小。 在淹没条件下,水力空化主要靠空化泡溃灭的 机械作用,目前合理的解释是空化泡溃灭产生的冲 击波和微射流[ 10 I ,其作用方式如图7 所示。 空化泡 a 冲击波作用示意图 o ④凹∞ 初始球形离表面远一侧上部流体穿入射流形成 空化泡 受到扰动空化泡扁平一面 b 微射流作用示意图 图7 空化泡作用方式图 F i g .7 C a v i t a t i o nb u b b l ea c t i o nf i g u r e 由图7 a 可知,游移空化泡向照明炬表面靠近 时.压力越来越高,在溃灭点时 该点压力超过汽化 压力 空泡溃灭,压力冲击波则会从溃灭中心辐射 传播,当传播到照明炬表面时,对照明炬表面有强大 的剥蚀作用,形成一个球面凹形蚀坑。空化泡越大, 空化泡游移到溃灭边界的时间越长,即空化泡越大, 其溃灭点越接近照明炬表面。一般的游移空化泡如 果远离照明炬表面就溃灭,不足以产生破坏性冲击, 只有空化泡游移到距离照明炬表面足够近的距离溃 灭.才能形成冲蚀凹坑。 由图7 b 可知,较大尺寸的空化泡向照明炬表 面游移时.空化泡表面的压力梯度逐步变大,逐渐发 生变形.即空化泡先在远离照明炬表面的一侧拉平, 继而凹陷.最后形成速度很大的微型液体射流,穿透 空化泡体射向照明炬表面,对照明炬表面形成强烈 的剥蚀作用,形成一个冲蚀凹坑。只有空化泡靠近 照明炬表面一定距离,微射流才会对固壁面起到一 定的剥蚀作用。 当保持喷嘴入口压力为定值时,空化数为定值, 表明空化试验系统产生稳定的空化区域 长度值和 宽度值一定 。因此,当喷距小于最优喷距时,随着 喷距的逐步增大,对照明矩有效作用的空化泡逐步 增多,冲蚀效果越好;当喷距为最优喷距时,冲蚀效 果最好当喷距大于最优喷距且在有效空化区域内 时,随着喷距的增大,对照明炬有效作用的空化泡逐 步减小,冲蚀效果逐步减小;当喷距超出有效空化区 域时,冲蚀效果急剧下降,直至起不到冲蚀效果。 综上所述.不是所有的空泡都对固壁面起剥蚀 作用,只有当空泡距离固壁面一定距离范围内才能 发挥剥蚀作用。因此,存在一个最优喷距,本试验系 统的最优喷距为1 5 倍的喷嘴喉部直径。 2 .3 冲蚀时间对冲蚀效果的影响 在保持喷嘴入口压力1 2M P a 、喷距2 0m m 的条 件下,改变冲蚀时间,得到的试验结果如图8 所示。 a 冲蚀深度 b 冲蚀体积 图8 冲蚀时间与冲蚀深度和冲蚀体积的关系 F i g .8 E r o s i o nt i m ev e r s u se r o s i o nd e p t ha n de r o s i o nv o l u m e 由图8 可知.冲蚀深度和冲蚀体积在一定时间 内都是随着冲蚀时间的增加而增加,当增加到一定 值时,冲蚀深度和冲蚀体积增加不明显,处于一个相 对稳定的阶段。本试验系统最佳冲蚀时间为7 0S 。 当空化区域及喷距一定时,随着照明炬冲蚀深 度的增加,相当于间接增加了喷距。已经分析了喷 距对照明炬冲蚀效果的影响,在有效喷距内,冲蚀体 积和冲蚀深度随着时间的增加而增大,当照明炬破 碎到某一距离时.即喷距超出了有效喷距,冲蚀效果 变差.不再随着时间的增加而增大,而是处于一个相 对稳定的阶段。 3 结论 通过设计的试验系统,进行了基于水力空化技 术的某型照明炬冲蚀试验。根据试验结果,经过分 万方数据 6 4 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第4 期 析研究.得到如下结论 1 本系统将照明炬冲蚀成一个球面凹形蚀坑, 验证了水力空化在报废弹药倒空领域的可行性; 2 喷嘴人I 1 压力影响水力空化的冲蚀效果,即 照明炬的冲蚀效果在变化趋势上与喷嘴入口压力成 二次曲线关系.随着喷嘴人口压力的增加成二次曲 线关系增加 3 淹没条件下.水力空化冲蚀照明炬存在最优 喷距.对照明炬起到最佳冲蚀效果,本试验条件下的 最优喷距为1 5 倍的喷嘴喉部直径; 4 当喷嘴人口压力及喷距一定时,冲蚀效果随 着时间的增加而增加.当增加到一定值时,冲蚀效果 无明显变化,本试验条件下的最优冲蚀时间为7 0S 。 参考文献 [ 1 ] 巩永孝,王宝全.弹药处废技术[ M ] .石家庄中国人 民解放军军械工程学院.1 9 9 6 . 『2 ]张淑君,陈可.基于水力空化技术的降解特性研究 [ J ] .力学与实践,2 0 1 3 ,3 5 1 2 6 3 0 . 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E x p e r i m e n t a lS t u d yo nE r o s i o no fm u m i n a n tC a n d l eB a s e do nt h e H y d r o d y n a m i cC a v i t a t i o nT e c h n o l o g y M A NH a i t a o ①②,L U OX i n g b a i ①,D I N GY u k u i ①,L I UG u o q i n g ①,Z H E NJ i a n w e i ① 堇 O r d n a n c eE n g i n e e r i n gC o l l e g e H e b e iS h i j i a z h u a n g ,0 5 0 0 0 3 ②N o .7 2 3 7 3U n i to fP L A H e ’n a i lL u o y a n g ,4 719 0 0 [ A B S T R A C T ] I no r d e rt ov e r i f yt h ea p p l i c a t i o no fh y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o ni nt h ec h a r g i n gr e m o v a lf r o mw a s t ea m m u n i . t i o na n di d e n t i f yc o r r e l a t i v ep a r a m e t e r s ,t h eh y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o nr e m o v a le x p e r i m e n ts y s t e mw a sd e s i g n e da n da p p l i e d u s i n gac e r t a i nt y p eo fi l l u m i n a n tc a n d l et os t u d yt h ei n f l u e n c e so ft h e n o z z l ei n l e tp r e s s u r e ,s p r a y i n gd i s t a n c ea n de r o s i o n t i m eo nt h ee r o s i o ne f f e c to ft h ei l l u m i n a n tc a n d l e .E x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eh y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o ne x p e r i m e n t s y s t e mc anb eu s e di ne r o s i o no fi l l u m i n a n tc a n d l e .T h ee r o s i o ne f f e c ti Se n h a n c e dw i t ht h eb o o s t i n go fn o z z l ei n l e tp r e s s u r e .S p r a y i n gd i s t a n c ei n f l u e n c e st h ee r o s i o ne f f e c t ,i nw h i c ht h e r ee x i s t sa no p t i m a ls p r a y i n gd i s t a n c e .T h ee r o s i o ne f f e c t i n c r e a s e si nac e r t a i ne x t e n ta n dt h e nt e n d st ob es t a b l ew i t ht h eb o o s t i n go fe r o s i o nt i m e .I ti sa ni n n o v a t i v ew a yf o rr e m o v i n ge x p l o s i v ef r o mw a s t ea m m u n i t i o n . [ K E YW O R D S ] h y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o n ;i l l u m i n a n tc a n d l e ;e r o s i o n ;c h a r g i n gr e m o v a l 万方数据