基金项目：国家自然科学基金重点项目（No.50334060）1刖目高压水射流技术已在清洗、切割、石油钻孔、海洋开发中得到广泛的应用。与普通高压水射流相比，空化射流将促进射流进行低能高效的工作，并能明显提高清洗效果、切割效率和满足钻深孔大孔的目的，在海底资源的开发中具有重大的应用价值。为此，本文设计了不同型式的喷嘴，对其产生的空泡云进行对比分析和岩石冲蚀的空化射流实验装置，采用全密封的高压容器模拟深水环境，其上设有压力表、减压阀、排水阀，前后观察窗口、并由进水管与高压柱塞泵连接。高压柱塞泵最大压力31.5MPa，流量750L/h.实验采用500万像素的数码相机、尼康高速照相机摄取空泡云图片，闪光灯从后观察窗口输入光源，高速照相机拍摄速度5000fps.空化射流实验装置图实验设计的缩放型空化喷嘴收缩角为15*，扩散角18*，喉管直径1mm，如（a）。为分析比较，实验还设计了相同收缩角度的普通收缩喷嘴，其出口喷嘴直径为1mm，如（b）。

　　3空泡云发育与空泡云长度实验研究3.1空泡云发育分析空化喷嘴是产生空化水射流的源泉，其空化能力的强弱取决于喷嘴形状、来流紊动强弱、速度、系统压力、流体性质等因素。空化水射流冲蚀能力强弱受制于空泡云的发育状况。空泡云的产生、发育、溃灭反映在空泡云的长短、大小的变化上，是岩石破坏的关键所在。在缩放型喷嘴中，空化常发生于压强最低的喉管部位，这里流速最大，压强低于汽化压强。喉管处产生的空泡很快被高速水体带走，并跟随射流运动，与水体形成液气混合体，从而形成空泡云。空泡云形成后射流密度、黏性系数都将受到影响而发生变化，有：度；分别为液体、空泡的体积分数；一，柬，分别为混合体、液体、空泡的动力黏性系数。

　　由此可见，空化射流形成后其密度减少、黏性减弱，有利于空泡的发育，空泡不断地经历膨胀、压缩、再膨胀、再压缩，乃至溃灭的反复过程。实验中采用了数码相机，对收缩喷嘴与缩放型喷嘴在不同围压、泵压条件下的空泡云进行了摄影。收缩喷嘴在围压0.9MPa，泵压18MPa下，采用数码相机拍摄的空化云如。

　　数码相机拍摄的空泡云如。

　　收缩喷嘴空泡云的发育溃灭过程图（a）空泡云形成（b）空跑云压缩（c）空泡云膨胀（d）空泡云溃灭缩放型喷嘴空泡云的发育溃灭过程图、4中，不难发现，空泡云的发育过程都经历了空泡云的膨胀、压缩、再膨胀、再压缩、直至溃灭的几个过程。收缩喷嘴的空泡云发育过程主要受泵源脉动影响，膨胀、压缩明显。相反，缩放型空化喷嘴则空泡数量更多，黏性减弱，振荡剧烈，空泡溃灭速度加快，空泡破灭产生的冲击力将更大。

　　3.2空化水射流空泡云长度实验研究空泡云的长短是射流能量大小的直接体现，空泡云长度是空化射流冲蚀性能的关键性指标，它直接决定着岩石试件的冲蚀体积与有效靶距的长短。

　　靶距、切割深度成正比。然而，空泡云长度又将受到那些因素的影响，本文在实验中对缩放型空化喷嘴与普通收缩型喷嘴在不同泵压力和围压下进行了实验，通过高速照相机获得图片，利用高速照相机的MotionCentral软件平台下的坐标，由已知的喷嘴外径，计算出空泡云长度，取3次实验平均值。

　　实验中，缩放型空化喷嘴喉管直径4下游喷嘴直径比名/弋=3.6；普通收缩喷嘴直径d=1mm；选用围压0.9MPa.高速照相机拍摄速度5000fps，像素640x480.实验获得泵压对空泡云长度的影响关系曲线，如。

　　中，为空泡云长度，八为系统泵压。

　　由可知，缩放型空化喷嘴在相同围压下，空泡云长度随泵压的增加而增加，在泵压小于12MPa时，变化较缓，之后有一较大变化区，在1416MPa又开始缓慢变化，16MPa后又形成较大变化区。对于普通收缩喷嘴，对比实验发现，空泡云长度变化规律与缩放型空化喷嘴相同，只是随泵压增加空泡云长度变化相对较缓。以18MPa为例，缩放型空化喷嘴空泡云长度较收缩型喷嘴提高15对上述缩放型空化喷嘴，在系统泵压八=18MPa下，改变围压，实验获得了围压对空泡云长度影响的关系曲线，见。

　　中，Pamb为高压容器的压力，即围压。图中可知，在相同的系统泵压下，曲线出现随着围压的增加，空泡云长度先是增加，在围压为1MPa时空泡云长度达到最大，之后随着围压的增加空泡云长度逐渐减小。

　　4岩石冲蚀性能的影响分析在砂岩的冲蚀实验中，冲蚀深度、宽度用游标卡尺直接测量。冲蚀质量采用冲蚀前后烘干、称重取得。试验所用的各种测量仪表都具有足够的精度，并经常进行校准，每个环节的试验和测量条件一致，以保证重复多次测量的准确。每个喷嘴的冲蚀试验进行3次，对于多次重复的试验结果，按狄克逊准则进行分析处理。

　　4.1泵压对岩石冲蚀质量的影响实验在围压Pamb=0.9MPa、有效靶距直径比为6mm、冲蚀时间为3min的实验条件下，分别对缩放型空化喷嘴、普通收缩型喷嘴进行了岩石的冲蚀性能实验。试件米用直径500mm，厚30mm的砂岩，砂岩抗压强度为93.15MPa.实验结果见。

　　中，Me为砂岩的冲蚀质量。由图可知，在相同的围压、靶距、冲蚀时间下，砂岩的冲蚀质量随泵压增加而增加，无论是缩放型空化喷嘴或普通收缩型喷嘴，均具有相同的规律，但缩放型空化喷嘴的岩石冲蚀质量均较普通收缩型喷嘴大。对比分析结果显示：在相同条件下，缩放型空化喷嘴比普通收缩型喷嘴具有更高的冲蚀能力，对砂岩的冲蚀质量平均是普通射流的7倍。此实验结果与空泡云发育过程中空泡云长度的变化结果是一致的。即一方面，缩放型空化喷嘴产生的空泡数量占有绝对的优势。另一方面，空泡云长度也反映了缩放型空化喷嘴产生的空化射流在能量上的优势。

　　4.2围压对冲蚀性能的影响在泵压Pb=18MPa，其他参数不变，改变围压条件，缩放型空化喷嘴对砂岩的冲蚀实验结果如图（c）围压与冲蚀质量关系曲线围压对冲蚀性能的影响中，丑e为砂岩的冲蚀深度，足为砂岩的切缝直径。（a），（b），（c）分别为围压与冲蚀深度关系曲线、围压与切缝直径关系曲线、围压与冲蚀质量关系曲线，3条曲线变化趋势一致。即在相同的泵压、有效靶距直径比和冲蚀时间下，砂岩冲蚀深度、切缝直径与冲蚀质量的变化曲线随着围压的增加而逐渐下降，在围压大于1.6MPa后，三条曲线随着围压的增加，下降的趋势变慢。各条曲线基本成分段线性分布，当围压达2.6MPa时，切割能力已较微弱。

　　5结论空泡云的发育过程经历了空泡云的膨胀、压缩、再膨胀、再压缩、直至溃灭几个过程。本实验条件下，空化射流在岩石切割实验中，得到以下的结论：在相同围压下，空泡云长度随泵压的增加而增加。缩放型空化喷嘴与普通收缩型喷嘴空泡云长度具有相同的变化规律，但随泵压增加，缩放型空化喷嘴空泡云长度增加相对较快。

　　缩放型空化喷嘴泵压不变，空泡云长度随着围压的增加，在围压为1MPa时空泡云长度达到最大，之后随着围压的增加，空泡云长度逐渐减少。

　　对砂岩的冲蚀实验表明，在相同的实验条件下，缩放型空化喷嘴产生的空化射流比普通收缩型喷嘴具有更强的冲蚀能力，对砂岩的质量冲蚀能力平均是普通收缩型喷嘴的7倍。这将有利于空化水射流的实际应用。

　　缩放型空化喷嘴产生的空化水射流对砂岩的冲蚀深度、切缝直径与冲蚀质量均随着围压的增加而逐渐减少，当围压达2.6MPa时，切割能力已较微弱。