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１ 高壓射流沖擊剛壁的流場分布

      高壓射流清理材料表面過程的流場按其流動特性 可分成 ３ 個區(qū)域：自由射流區(qū)、沖擊區(qū)和壁面射流區(qū)， 如圖 １ 所示［５］ 。 自由射流區(qū)內(nèi)，射流受壁面的影響非 常小，因此可認為該區(qū)域的流動特性與自由射流相同。 在沖擊區(qū)，射流急速改變方向，由軸向流動變?yōu)閺较蛄?動并且存在極大的壓力梯度。 該區(qū)域是引起壁面發(fā)生 彈塑性變形，甚至塑性去除、脆性去除或斷裂的集中區(qū) 域。 壁面射流區(qū)的流動速度減弱，而且相對平穩(wěn)，因此 一般不會發(fā)生壁面材料變形或去除［６］ 。

       為研究高壓水射流與高壓磨料射流對剛壁沖擊力的分布規(guī)律，設(shè)計了高壓水射流測力系統(tǒng)，見圖 ２。

       整個系統(tǒng)包括高壓射流系統(tǒng)、測力系統(tǒng)與電控系統(tǒng)３個部分。 高壓射流系統(tǒng)由高壓柱塞泵、水箱、過濾器、調(diào)壓閥、單向閥、壓力表、節(jié)流閥、溢流閥、噴頭等組成；測力系統(tǒng)由測力臺、測力傳感器、數(shù)顯表、采集卡、ＰＣ 端等組成；電控系統(tǒng)主要通過變頻器對電機實施變頻控制。 試驗時，設(shè)置靶距參數(shù)，選定測力臺，開啟高壓射流系統(tǒng)，通過變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)水壓 至設(shè)定值，由PＣ端采集記錄工作臺下的沖擊力值。 測力臺承受射流沖擊的面積為圓形，由 Ｎ 個圓盤 構(gòu)成，按照面積從小到大進行編號，其直徑為 ７（Ｎ＋１） ｍｍ，Ｎ∈（１，２，…，２１），由標(biāo)準(zhǔn) １ ｋｇ 砝碼對照數(shù)顯表進 行標(biāo)定，利用兩相鄰圓盤的射流沖擊力的差值，確定其 各階沖擊力值。 如表 １ 所示。

       當(dāng)Ｎ＝１時，為第一圓盤沖擊力值與測力圓盤面積的比 值；當(dāng) Ｎ＞１ 時，為該徑向位置沖擊力值與該位置環(huán)形 增量面積的比值，單位為 Ｐａ，即：

        選定１４０ｍｍ 靶距，圖３為試驗獲得的在不同系統(tǒng)壓力下純水射流和磨料射流沖擊剛壁壓力隨徑向距離的變化關(guān)系（多次試驗的平均值）。 由圖３可知，隨徑向距離增加，在１階沖擊力值（偏離中心位置７ｍｍ）后，沖擊壓力急速降低，是一非單調(diào)遞減的階梯函數(shù)，連接各階中點位置，可視其為具非單調(diào)負指數(shù)下降規(guī)律（負指數(shù)函數(shù)和低幅諧波函數(shù)的疊加），而非切割小口徑噴嘴射流形成的近似高斯分布規(guī)律。 壓力急速下降的負指數(shù)關(guān)系是由于射流在沖擊區(qū)沿徑向改變方向后射流速度的耗散，導(dǎo)致非單調(diào)下降的低幅諧波變化尚待作進一步的理論和試驗研究。系統(tǒng)壓力增加，射流壓力增加，呈正相關(guān)變化，但對射流壓力的總體分布規(guī)律（分布形狀）影響很小，與文獻［５］的研究結(jié)果一致。 磨料射流除相應(yīng)的沖擊壓力增加外，其分布規(guī)律基本與純水射流一致。

       圖４給出了純水和磨料射流在不同系統(tǒng)工作壓力和靶距情況下，最大沖擊壓力（中心位置）的比較。

       在靶距不變的情況下，無論純水還是磨料射流，其沖擊壓力與系統(tǒng)壓力呈正相關(guān)，不同的是，純水射流在靶距14０ｍｍ時，射流沖擊壓力明顯大于其余3個靶距（１７０ｍｍ，２００ｍｍ，２３０ｍｍ）的沖擊壓力，且后３個靶距的沖擊壓力相近；而對于磨料射流，其沖擊壓力隨靶距增大，近似等速率降低，呈負相關(guān)變化。

５ 磨料強化效果分析 

       磨料射流和純水射流的對比試驗表明：在一定條件下，磨料的加入對射流沖擊壓力有顯著的強化效果， 這是由于磨料射流為二相流沖擊，其密度遠大于純水射流的緣故。 定義強化系數(shù) ν 為：

       圖５為不同系統(tǒng)工作壓力下，不同靶距位置磨料射流強化系數(shù)的對比。

       從圖５可以看出，系統(tǒng)工作壓力不大于5０ＭPａ、靶距１７０ｍｍ 和系統(tǒng)壓力大于５０ ＭＰａ、靶距２００ｍｍ 的情況，具有較高的強化系數(shù)。 其中系統(tǒng)壓力４５ＭＰａ、靶距１７０ｍｍ，系統(tǒng)壓力５０ＭＰａ、靶距１７０ｍｍ 和系統(tǒng)壓力５５ ＭＰａ、靶距２００ｍｍ 達到試驗參數(shù)的最優(yōu)值。

       圖６給出了在不同靶距情況下的平均強化系數(shù)隨系統(tǒng)工作壓力的變化關(guān)系。