文丘里管射流裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

摘要：運(yùn)用文丘里管改進(jìn)現(xiàn)有的射流裝置，設(shè)計(jì)出新型的文丘里管射流裝置。闡釋了其理論模型，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)新型射流裝置的技術(shù)方案的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：文丘里管 射流 噴射器

隨著現(xiàn)代工業(yè)的加速發(fā)展，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的諸多領(lǐng)域?qū)ι淞骷夹g(shù)的需求日漸廣泛。如金屬切割、打磨、工件的表面清洗等，因此，提高射流裝置的效率，降低其成本，具有重要意義。現(xiàn)有的液體加壓射流噴射器裝置，主要是以氣壓機(jī)與泵相結(jié)合的加壓噴射器裝置為主。進(jìn)入2O世紀(jì)8O年代以來(lái)，各國(guó)多把注意力集中在如何形成一種特殊的脈沖射流發(fā)生器上，許多研究人員為此進(jìn)行了大量的研究與實(shí)驗(yàn)，提出了各種類型的脈沖水射流發(fā)生裝置，但對(duì)于改進(jìn)射流噴頭方面并沒(méi)有太大的發(fā)展，尤其是結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化方面。傳統(tǒng)設(shè)備在生產(chǎn)工藝上雖然可以滿足實(shí)際需求，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積相對(duì)較大，且不能滿足一些特殊的要求，如強(qiáng)腐蝕性液體、磨液、易堵高粘稠性液體等對(duì)設(shè)備損壞較大，造成設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，折舊速度加快。筆者利用文丘里管結(jié)合氣壓機(jī)的射流裝置，革新了噴射器部分。在本設(shè)計(jì)中真空度主要由“文丘里管(真空泵主要構(gòu)件)”產(chǎn)生，而且可以達(dá)到要求；若采用兩根“文丘里管”串連，則產(chǎn)生的真空度達(dá)原來(lái)的十幾倍。射流的壓力大小主要由速度決定，調(diào)節(jié)氣流的相關(guān)參數(shù)即可以對(duì)射流進(jìn)行調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)將原有普通連續(xù)水射流噴射器結(jié)構(gòu)與文丘里管結(jié)構(gòu)相結(jié)合，利用噴管高壓空氣流從小孔吹出的方式而使液室產(chǎn)生真空引力引起氣液在混合室混合。因此，可以由空氣吹出速度的大小來(lái)調(diào)節(jié)真空度的大小。該裝置減少了原有的加壓噴射器需要泵提供液體注入動(dòng)力，節(jié)約了能量、減小了體積。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本試驗(yàn)裝置是結(jié)合原有的液體加壓設(shè)備特點(diǎn)，液體導(dǎo)人管與文丘里管的主管的角度，參考以往噴頭結(jié)構(gòu)小于22°。在結(jié)構(gòu)上將原有的液體加壓裝置的液泵去掉，體現(xiàn)了簡(jiǎn)潔的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，降低了設(shè)備的造價(jià)，克服了以往相同設(shè)備的缺點(diǎn)。

圖1 文丘里管射流實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

壓力表1、2、3分別測(cè)量文丘里管人口、喉、出口，B1、B2分別為調(diào)節(jié)閥， α、β分別為文丘里管的前后傾角。其中α=15° β=12°，管直徑a=50 mm，文丘里管的喉部直徑b=15．6 mm，全管的長(zhǎng)度為400 mm。

2 分析與結(jié)果

2．1 原理

文丘里管射流裝置的工作原理可以用伯努利方程和連續(xù)方程來(lái)表達(dá)：

伯努利方程：

連續(xù)方程：

V· A=常數(shù) (2)

式中，V-流體流速，m／s；g—— 重力加速度，n；ρ—— 流體壓力，Pa；γ—— 流體比重，M／n3；z--流體勢(shì)能，m；A—— 過(guò)流截面，m2。

文丘里管的流量特征可用下式表示：

式中，Q1—— 注人文丘里管的液體量，m／s；Q2—— 文丘里管流出流量，m／s；△H- 文丘里管前后壓差，m；△p—— 文丘里管前后壓力損失，Pa；k2—— 與△H相對(duì)應(yīng)的總阻力綜合參數(shù)；p1—— 并聯(lián)文丘里管的入口壓力，Pa；p2—— 并聯(lián)文丘里管的出口壓力，Pa。

支管兩端的壓力損失△H可用下式表達(dá)：

式中Σζ--支管各處(包括文丘管)的總阻力系數(shù)；v--通過(guò)支管各處的流量，m／s。

導(dǎo)出總阻力綜合參數(shù)k2及流速v2、v3由式(2)、(3)、(4)可以推出：

式中d- 噴管各處的直徑，m。

又由式(2)、(3)可以推出：

式中 v2—— 通過(guò)文丘里管導(dǎo)出的液體流速，m／s； v3—— 通過(guò)文丘里管喉部的流速，m／s。

在文丘里管的喉部應(yīng)用伯努利方程(1)得：

式中p3—— 文丘里管的喉部壓力，Pa；△h1—— 文丘里管逐步縮小的壓力損失，m；△h2—— 壓力表(1)與文丘里管前端之間的壓力損失，m。

由(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)可以推出P3與△p、P4、Q2以及文丘里管結(jié)構(gòu)性能參數(shù)(k2、c1 、c、d2、d3)之間的函數(shù)關(guān)系式：

式中，c1為與△h1相對(duì)應(yīng)的前傾角阻力系數(shù)，c為與△h2相對(duì)的阻力系數(shù)。

根據(jù)以上推導(dǎo)，理論上可得出如下結(jié)論：(1)、文丘里管喉部壓力P3與前后壓力差△p成線性關(guān)系即與△H成線性關(guān)系；(2)、文丘里管喉部壓力P3與流量平方(Q2-Q1)2成線性關(guān)系。

2．2 實(shí)驗(yàn)研究

建立圖1的試驗(yàn)裝置，以上述特定的文丘里管射流噴射器裝置為研究對(duì)象。結(jié)合公式(3)、(9)的結(jié)論，通過(guò)調(diào)節(jié)閥b1、b2及高壓氣泵a對(duì)上述試驗(yàn)裝置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量得到P3與△H以及Q22之間的經(jīng)驗(yàn)公式和關(guān)系曲線(圖2、圖3)。

通過(guò)對(duì)兩組參數(shù)的測(cè)定，所得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)線性擬合數(shù)據(jù)得p3與△H以及與Q22有如下經(jīng)驗(yàn)公式：

P3=-0.140△H+0．050

P3=-0.033(Q2-Q1)2 +0．430

在實(shí)際的自吸式液體加壓噴射器裝置的加工中可以通過(guò)控制參數(shù)的△H大小來(lái)對(duì)裝置的型號(hào)進(jìn)行確定。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中則可以通過(guò)調(diào)節(jié)流量Q22來(lái)進(jìn)行適時(shí)控制。

3 結(jié)論

利用文丘里管與原有射流噴頭相結(jié)合而設(shè)計(jì)的新型射流噴射器裝置，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，而且其可行性強(qiáng)。P3與流過(guò)的流量成線性關(guān)系(如圖2、圖3的曲線所示)，經(jīng)試驗(yàn)分析P3在-0．9—-0．2 Mp 之間具有相當(dāng)較好的獨(dú)立線性度，其獨(dú)立線性度為12．O％。通過(guò)在該范圍內(nèi)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，對(duì)需加壓液體Q1狀態(tài)進(jìn)行有效控制。根據(jù)這一特征，文丘里管液體加壓噴射器裝置在實(shí)際運(yùn)用中，只要喉部壓力P3在-0．9～0．2 MPa之間，控制文丘里管兩端壓差或流過(guò)的流量，就可以利用其較好的線性關(guān)系簡(jiǎn)單地控制喉部壓力，有效地調(diào)節(jié)射流流量及強(qiáng)度。

采用文丘里管液體加壓噴射器較其他同類設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在實(shí)際工程運(yùn)用中體積經(jīng)常是一個(gè)相當(dāng)重要的因素，該裝置體積較其它裝置體積大幅度減小，整個(gè)裝置重量為1 kg左右，這極大的增加其使用范圍，也方便了設(shè)備的改進(jìn)。如：在工程中可以在氣液進(jìn)口處改為軟管而實(shí)現(xiàn)其可移動(dòng)使用等。(2)耗能低。該裝置的運(yùn)用可以減少一些其它的設(shè)備如液泵等，即可以起到節(jié)能的效果。而且，自吸式吸人是在利用高壓氣流對(duì)液體產(chǎn)生的橫向力的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，不僅克服原有采用氣壓機(jī)和液泵結(jié)合的設(shè)備垂直管注入液時(shí)高壓氣流對(duì)注入液的影響，而且利用了上述阻力。(3)運(yùn)用范圍廣泛。由于其價(jià)格、體積及內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，該裝置較其它相同類型裝置，更加具有靈活性，方便使用于狹窄的工作環(huán)境。該裝置的前端可以設(shè)計(jì)可調(diào)換的各種噴頭的接口可，以按所需射流進(jìn)行調(diào)換。其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)使其不易堵塞，而且造價(jià)較低，即使出現(xiàn)腐蝕或堵塞也可以直接更換，而不須在維修及設(shè)備時(shí)更換投入較大的資金。文丘里液體加壓噴射器裝置在強(qiáng)度及流量的調(diào)節(jié)方面具有簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，其在結(jié)構(gòu)、價(jià)格及功能上的優(yōu)勢(shì)為其展現(xiàn)了廣闊的前景。