射流离开喷嘴后最常见的形式是圆柱射流。这种形式的射流携带射流能量最为有效,但它在靶件表面上的有效打击面积也最小。为了进行大面积清洗,通过改变喷嘴形状就有了扇形射流,其特点是射流以一条线的形式冲击在靶件上,随着喷嘴的位移,便出现了一条宽幅的清洗带。近来还出现了一些不同形状的喷嘴,如圆锥形、三角形。矩形等,统称为异形喷嘴。
射流因其介质不再局限于水,应严格定义为液体射流。如切割含有糖分的食品,水则容易溶化糖而破坏了这些食品。为了避免此缺陷,对切割蛋糕和巧克力之类的食品应采用植物油或其他可食用油作介质。某些射流应用场合还要求用乳化液作介质。但是,我们泛称水射流并不影响其他液体射流的存在。
实际应用的水射流大致可以分为3种类型:连续射流、脉冲射流、空化射流。
连续射流是最普通的射流形式,又是一个庞大的家族,可以细分为如下几类。
(1)根据射流性质分为;
①液体射流(包括水射流和其他液体射流);
②液体一固体射流(即磨料射流);
③液体一气体一圆体射流(气压输送磨料)。
(2)根据射流压力分为:
①低压力射流:工作压力不大于10MPa的水射流,其系统主机多为离心泵或低压往复泵;
②高压力射流:工作压力在100MPa的水射流,其系统主机多为高压往复泵;
③超高压力射流:工作压力不小于100MPa的水射流,其系统主机多为超高压往复泵和增压器。
上述划分依据中国有关标准。由于水射流作业的高压化、大型化发展趋势,高压水射流的概念逐渐认同到150~200MPa;超高压水射流的概念则已认同到工作压力不小于200MPa,因为这是一般水切割作业压力的下限。对此,水射流设备标准正在修订。连续射流又可加温、加化学清洗剂、加长链聚合物以提高其性能。
(3)根据射流周围介质分为:
①淹没射流一一水射流在水中或其他液体中喷射;
②非淹没射流--水射流在空气中喷射。
(4)根据射流用途分为:
①雾化射流(降尘、喷灌等);
②造型射流(喷泉、人造瀑布、水幕等);
③真空射流(水射流抽吸);
④圆柱射流(消防、清洗等);
⑤细射流(清洗、切割等)。
脉冲射流是非连续射流,这种间断射流的形象很类似于子弹射出,
它由以下几种方式产生:
(1)聚能骤放,或曰"水炮";
(2)压力挤出;
(3)流量调节,又称"水击"。
这些射流的性能取决于水击形成的频率、水击长度与射流直径之比和水击的能量。
聚能骤放型和压力挤出型都有个共同特性,那就是足够高的能量产生了脉冲;与此相对应的是流量调节型,它产生了许许多多的脉冲,而每个脉冲仅需很小的能量。
(1)聚能骤故型脉冲射流的特性如下:
①速度衰减迅速,脉冲持续相对短促;
②每次脉冲喷射的流量足够小;
③最大射流速度取决于喷嘴面积比(喷嘴人口截面面积与出口截面面积之比)及喷嘴长度与水击长度之比而不是喷嘴直径;
④速度衰减时间是水击速度的函数。
(2)压力挤出型脉冲射流的特性如下:
①持续的射流速度与时间和长脉冲有关;
②大流量脉冲特征,脉冲流量取决于泵机组高压缸容积和行程;
③最大射流速度取决于喷嘴直径而不是喷嘴面积比;
④相对于压力随时间变化关系,靶件负荷接近于阶跃函数。
由于这些脉冲射流产牛的失效形式不完全控制裂缝延展,结果使靶件表面材料的剥除量大且无规则。
流量调节型脉冲冲射流基本上是间断连续射流,其结果形成分离间距较小的流体束来神击材料表面。这种形式的射流有以下特性:
①每个脉冲所需能量小;
②高频率的脉冲冲击;
③脉冲冲击类似液滴冲击,不产生持续的靶件负荷,动量作用占主导地位。
空化射流是一种在射流中自然产生空化气泡的连续射流,空泡或采用空气或采用淹没方式产生,采用多种方法在流体中形成一个压力低于当地蒸汽压力的区域,这样也就激发了空化核的生长(流体中的气泡),这些气泡被卷入射流进一步生长,直到它们接近被清洗或切割的表面由于受阻滞而引起破裂。在破裂过程中,产生非常高的压力和微射流,靶面应力高于大多数材料的抗拉强度。虽然单独的空泡破裂造成的破坏程度较小,但持续渐增的此类现象使得材料的失效延展扩大。
(1)相对于连续射流,空化射流的优点如下:
①硬质物品所需工作压力大幅度降低;
②喷嘴和其他高压部件寿命延长;
③切缝比连续射流要宽得多,这对表面清洗来说是一个优点;
④在水下相对于连续射流性能有所提高。
(2)相对于连续射流,空化射流的缺点如下:
①切缝极大;
②流量比连续射流要大1 0倍左右;
③切割质量相对不好控制;
④靶距的局限性。
空化射流系统在清洗与弹药回收应用方面已有业绩。