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空化射流清洗技术的原理介绍

时间:2015-03-20     来源: 威尼斯人app

空化射流清洗技术是将空化作用引入水射流技术中而形成的新型水下设施清洗技术。通过控制压力、流速等参数使水流束经过空化喷嘴时产生大量的空化泡,利用空化泡在材料表面的狭小区域内溃灭产生高达140~170 MPa的微射流冲击,达到清理设施表面附着物和污垢层的目的。相对其它清洗技术,该技术不但具有高效、节能、环保、安全等优点,而且具有不伤害设施母材,极少或者完全不伤害完整防腐层的显著优势,可对船舶螺旋桨等设备薄片区域进行合理有效的清洗。下面主要介绍空化射流清洗技术的原理。
 
空化射流清洗技术的原理介绍:
 
收缩扩张管空化泡形成过程
 
空化是由于液流系统的局部低压(低于相应温度下该液体的饱和蒸气压)使液体蒸发而形成的空化泡(即气核,半径一般在20 μm以下)爆发性生长的描述。假设收缩段上下游压力分别为P1和P2,收缩段压力为Pc,水流速度为Vc,当Pc降至当地的水饱和蒸汽压力Pv,即Pc≤Pv 时,在收缩段内局部低压区将产生空化,空化泡在收缩截面的边界层内孕育并形成,在低压区内获得成长。可见,空化的实质即是流体在动力和热力的联合作用下,液体介质局部的液~气相变过程。
 
空化数是用于判断空化是否发生的无量纲临界参数。压力和流速是空化发生的主要影响因素,在高围压的淹没空化射流下,如空化射流在水下的清洗作业,空化数的计算式可以简化表示为下游压力与喷嘴总压差的商:σ=P2/(P1-P2)。当σ≤1时,可以产生空化作用;当σ≤0.5 时,可以产生稳定的空化射流。
 
当水在高速流动中局部绝对压力降至当地温度下的饱和蒸汽压时,溶解在水中的空气释放出来,形成许多微小的空化泡,空化泡溃灭引起强大的微射流冲击。空化射流就是人为地使水射流束中产生高密度空化泡,利用大量的空化泡在物体表面局部微小区域溃灭产生的强大微射流冲击力而达到清洗设施的坚硬污垢和附着海生物的目的。如下图:
 
空化泡破裂过程
 
近球形空化泡随射流运动到固体表面附近,淹没射流在固体表面形成一层横向漫流,使空化泡距固体表面较远侧的液体压力低,向心运动速度较其他部分慢,空化泡在向固体表面运动的过程中,其近表面侧与固体表面的距离基本不变。忽略液体粘性的影响,空化泡为保持动量守恒,必须做加速运动,远表面侧向内凹进,靠近近表面侧,空化泡因此被穿透形成指向固体表面、高速度、破坏力强的微射流。
 
国外专家Hammit通过计算和实验测量得出:游移型空化泡溃灭时,近壁处微射流速度可达70~180 m/s,在物体表面产生的冲击力高达140~170 MPa,微射流直径约为2~3 μm,表面受到微射流冲击次数约为100~1000次/(s•cm²)。
 
在空化作用中,空化泡溃灭瞬间产生极短暂的强压力脉冲,气泡周围微小空间形成局部热点产生极端高温、高压,同时伴随产生复杂的物理反应、化学反应、机械作用、电化学作用和热作用。冲击压力高达140~170 MPa的微射流大部分直接或者间接作用在设施表面的海生物污垢层上,使海生物污垢从材料表面分离下来,从而起到清洗作用。
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