[發明專利]高壓淹沒水射流沿程速度的計算方法

在審

• 申請號: 202010749925.1
• 申請日: 2020-07-30
• 公開（公告）號: CN111898071A
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 王觀石;劉劍;余健翔;龍平;羅嗣海;秦磊
• 申請（專利權）人: 江西理工大學
• 主分類號: G06F17/10
• 分類號: G06F17/10;G01N27/10;G01L7/02
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 王丹

本發明提供一種高壓淹沒水射流沿程速度的計算方法，高壓淹沒水射流區域形成白色的空化錐，通過試驗測量高壓淹沒水射流沿程的滯止壓力試驗值；在方管內通過電導率法試驗測量摻氣濃度試驗值；通過理論得到高壓淹沒水射流沿程中的滯止壓力計算值和橫斷面的平均摻氣濃度計算值；以滯止壓力計算值和平均摻氣濃度計算值，與滯止壓力試驗值和摻氣濃度試驗值，的相對誤差平方和作為目標函數F，建立模型；令F取最小值，擬合出模型參數，并獲得相對應的射流速度。在方管內通過采用電導率法測量射流空化錐橫斷面的平均摻氣濃度試驗值，方管的橫斷面的通電水域形狀更規則，因此計算空化錐橫斷面的平均摻氣濃度試驗值更為容易，從而降低整體計算難度。

技術領域

本發明屬于高壓淹沒水射流技術領域，具體涉及一種高壓淹沒水射流沿程速度的計算方法。

背景技術

高壓淹沒水射流技術廣泛應用于地基處理、工業清洗、航道疏浚、煤炭開采等工程。在離子型稀土礦的高效收液系統中，施工注漿孔隔水層和填砂導流孔需要大量運用高壓水射流破土切槽和鉆水平深孔。水射流侵蝕礦土的主要作用包括剪切、沖蝕，兩者都和射流速度相關。通過計算高壓淹沒水射流的沿程速度，分析特定礦土在射流沖擊壓力和壁面水流剪力的共同作用下的侵蝕機理和侵蝕效率，用于水射流破土的工藝參數設計。

高壓淹沒水射流在近噴嘴區域射流速度較大，水流沖擊土體的滯止壓力遠大于土的承載力，土體在短時間內破壞并剝離形成沖擊坑，該過程經歷的時間很短，因此對侵蝕礦土效率的影響較小；在稍遠的射流基本段，隨著射程增大，射流的橫截面擴大，射流速度大幅衰減，該區域的沿程速度關系到水射流侵蝕礦土的深度和效率。

流體力學理論關于淹沒水射流沿程速度的經典方程未考慮空化氣泡的影響，僅適用較低射流壓力的流速計算。空化現象是高壓淹沒水射流的基本特征，在近噴嘴區域大量微小的空化氣泡使射流區域形成了一個白色的空化錐。空化氣泡減少了噴射水流與淹沒水環境之間的混摻和動量交換，隨著射流壓力增大，空化氣泡含量的增多，空化氣泡對射流速度的影響越大。目前應用到水射流破土的鉆孔、開溝和旋噴樁等工程的常用射流壓力已達20到40MPa，空化現象非常明顯且對速度的影響很大。

目前對淹沒水射流空化的內在機理研究不成熟，可視化的試驗手段難測高濃度空化氣泡的運動，數值模擬方面也沒有較完善的模型，因此高壓淹沒射流的摻氣濃度計算難度較大，給流速的計算帶來困難。一些研究提供了計算射流速度或滯止壓力的經驗公式，因為試驗條件各異，計算結果在變化趨勢上一致，數值差異較大。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：提供一種高壓淹沒水射流沿程速度的計算方法，降低計算難度。

本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：一種高壓淹沒水射流沿程速度的計算方法，高壓淹沒水射流區域形成白色的空化錐，其特征在于：

通過試驗測量高壓淹沒水射流沿程的滯止壓力試驗值；

在方管內通過電導率法試驗測量摻氣濃度試驗值；

通過理論得到高壓淹沒水射流沿程中的滯止壓力計算值和橫斷面的平均摻氣濃度計算值；

以滯止壓力計算值和平均摻氣濃度計算值，與滯止壓力試驗值和摻氣濃度試驗值，的相對誤差平方和作為目標函數F，建立模型；令F取最小值，擬合出模型參數，并獲得相對應的射流速度。

按上述方案，在試驗之前，先測量空化錐的擴展半角和空化錐半寬。

按上述方案，所述的測量空化錐的擴展半角和空化錐半寬具體為：

從高壓淹沒水射流容器的透明視窗拍攝多張射流壓力為p_jet的射流照片，從白色的空化錐的照片中量出空化錐的擴展半角為θ；

射程為x_i的橫斷面上射流軸心到空化錐邊緣的距離，稱為空化錐半寬b_ei，通過以下公式獲得：