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自激振荡磨料射流是在自激振荡脉冲射流和混合磨料射流基础上，提出的新型射流。为此，对自激振荡磨料射流喷嘴的结构和工作原理，分析了脉冲频率和幅值等参数对磨粒加速效果的影响。根据初步研究表明，磨粒速度受脉冲频率和幅度影响很大，磨粒速度可超过前混合磨料射流中磨粒的速度，最大钻孔速度比前混合磨料射流提高41%。这一成果有望用于坚硬物料的切割和特种加工、石油钻井、大洋采矿、难采矿体的开采、坚硬岩石巷道（遂道）掘进、表面清洗等领域。
从本世纪60年代开始，各国专家对脉冲水射流进行了大量的理论探讨和试验研究，现已广泛应用于石油钻井、表面清洗等场合。脉冲水射流分阻断式、挤压冲击式和激励式三种类型，其中自激振荡脉冲射流最有发展前途。自激振荡脉冲射流是利用射流的不稳定流动特性，通过调整连续水射流的流动参数和结构参数，对射流的涡量扰动进行闭环反馈和放大，将连续射流改变为压力脉动的冲击式射流，射流作用在靶体材料上的力为按一定频率周期性变化的高频冲击载荷。试验和现场应用证明，这种冲击力是连续水射流滞止压力的(1.5～2.5)倍，大大地提高了对靶体材料的冲蚀破坏作用。80年代后期，我国石油工业中采用自激振荡脉冲射流喷嘴的牙轮钻头，在相同条件下可提高油井钻速(15～50)%，提高钻头进尺(10～15)%，每只喷嘴节省直接钻井成本为(1.40～2.5)万元。
80年代出现了磨料射流，磨料射流对靶体材料的冲蚀和切割性能大幅度提高，其中前混合磨料射流的切割效果尤为显著，系统压力可降低两个数量级。
自激振荡磨料射流（自激振荡脉冲射流和混合磨料射流相结合）的研究成果：射流中磨粒的最大速度提高了2.5倍，卷吸能力提高1倍，磨料粒子能够进入射流束中心，与连续磨料射流相比切割速度提高2倍，大大地提高了射流的工作能力。
众所周知，后混合磨料射流的切割能力远远低于前混合磨料射流，为了进一步提高射流的切割和冲蚀效果，我公司研制一种自激振荡脉冲射流和前混合磨料射流相结合而形成的新型射流——自激振荡磨料射流。
1 自激振荡磨料射流喷嘴的结构及工作原理
图1所示为自激振荡磨料射流喷嘴实验装置简图。自激振荡磨料射流喷嘴，主要由前喷嘴1、过渡体2、腔体3和后喷嘴4等组成。
1-前喷嘴；2-过渡体；3-腔体；4-后喷嘴
图1 自激振荡磨料射流喷嘴简图
自激振荡磨料射流喷嘴工作原理类似一个Helmhotz振荡器。从前喷嘴喷出的高速磨料射流束在振荡腔内的气体作用下，表面产生扰动，形成一连串涡环，涡环撞击后喷嘴碰撞壁时产生压力脉冲。压力脉冲一方面使涡环前方的流体加速，另一方面使涡环后面的流体减速。
压力冲击波沿射流相反方向以声速传播至前喷嘴时，与前喷嘴出口壁相撞再次形成压力脉冲，这个压力脉冲一方面引起前喷嘴内流体压力振荡，诱发产生新的涡旋，另一方面又沿射流向后传播。若反射波正好与某涡旋同时到达后喷嘴碰撞壁时，碰撞而产生的压力脉冲得到加强。如此循环往复，构成正反馈闭合回路，使涡旋放大形成大涡结构。振荡腔内真空度变化规律与振荡腔结构尺寸、涡旋频率和幅度有直接关系，振荡腔结构尺寸一定时就具有一定的固有频率，对涡环频率进行选择性放大，涡环频率与振荡腔自振频率接近时，涡旋得到放大，造成射流压力和速度大幅度脉动，形成强烈的脉冲射流。
磨料在脉冲射流状态下的能量交换和加速效果优于普通磨料射流，磨料随水一起脉动（两者速度不同）并获得高于从前喷嘴出来的射流的速度，从而降低射流的比能耗，提高射流的冲蚀效果。
2 自激振荡磨料射流喷嘴结构参数确定
自激振荡磨料射流属于多维、多相、介质的瞬变流动，流动机理十分复杂。计算涡环产生频率和振荡腔频率时，假设：
1) 磨料射流束在振荡腔内只有压力脉冲变化，密度、速度、磨料浓度不变；
2) 振荡腔内的磨料射流为轴对称流动，产生的涡为涡环；
3) 忽略喷嘴各零部件加工误差。
射流表面剪切层不稳定性产生的涡环频率f［3-6］为
(1)
式中，f——涡环产生频率；S——Strouhal数，S=0.3～0.5;u0——射流速度；d1——前喷嘴直径。
压力波在前、后喷嘴之间的射流束中来回振荡，振荡腔长度满足下式时，压力波在射流内就形成谐振
(2)
式中，L——振荡腔长度；N——振荡腔内涡环数；M——射流Mach数；M=u0/c；c——压力波在振荡腔内磨料射流束中的传播速度，其值远低于固液均匀混合介质的波速。固液两相介质波速为；KL——水的体积弹性模量；ρ——固液混合物的密度；ρ=ρs.Cv+ρL.(1-Cv)；Cv——磨料在固液混合物中的体积百分比；ρs、ρL——分别为磨粒、水的密度。
3 振荡射流中的磨粒速度
自激振荡磨料射流中，磨粒的加速机理十分复杂，影响因素很多，但磨料射流的脉冲频率和幅度对磨粒速度影响最大。本文仅研究射流进入后喷嘴以后，单个磨粒在速度变化的流体场中的运动规律，为简便起见，不计磨料射流进入后喷嘴后的密度、浓度、热量变化并忽略磨料射流进入后喷嘴的能量损失，忽略磨粒之间的相互作用及不规则性的影响。
磨料射流进入后，喷嘴后产生脉冲振荡，磨料在脉动振荡的水介质中速度发生变化。水速u可展开成富氏级数
（其中i=1,2,3,…) (3)
式中,Ai，Bi——第i阶最大振动幅值，为常数；ω——振动角频率ω=2πf；ψi,φi——第i阶初相位。
若考虑一阶低频主振荡，并取正弦变化，则上式简化为
(4)
磨粒在水介质中的受力仅考虑磨粒惯性力和与流体介质间的摩擦力，根据磨粒动力方程可得磨料速度的近似微分表达式
(5)
其中
式中，τv——颗粒速度松弛时间；ds——磨粒直径；u——固液混合介质粘度，采用Einstein计算式u=uL(1+2.5Cv)；uL--水粘度；Res——磨粒的数，。
数值求解式(4)、(5)可得到磨粒速度的变化规律，如图2～4所示。计算参数：泵压10MPa,纯水脉冲幅度为平均射流速度的0.4倍，水密度1000kg/m3，河砂密度2500kg/m3。
(1-u;2-50;3-500Hz;4-2000)
图2 粒速随时间的变化(粒径：1mm）
(粒径:1-0.15;2-0.5;3-1;4-2)
图3 最大粒速随频率的变化
(脉冲频率:1-50；2-500；3-2000)
图4 最大粒速随粒径的变化
图2所示，磨粒速度随射流脉冲振荡而变化，速度变化滞后一相位角。图3所示，脉冲频率越高，磨料加速效果越差。对于1mm的磨粒，脉动频率50Hz时，最大粒速为平均射流速度的1.375倍，频率为500Hz时，其为1.287倍，频率为2000Hz时，其为1.15倍。图4所示，粒径越小，磨料加速效果越好。脉冲频率500Hz时，粒径0.15mm的磨粒最大速度为平均射流速度的1.369倍；粒径为0.5mm时，则为1.328倍；粒径为1mm时，则为1.287倍，粒径2mm时为1.225倍。因此,采用合理的脉冲频率和粒径可获得较理想的磨粒加速效果。
4 试验及结果分析
图5所示为自激振荡磨料射流试验系统原理图。为了消除高压泵振动及管内流体振荡造成的影响，在高压回路中旁接了的一个12L的高压罐。整个试验系统工作时在喷嘴出口处压力十分稳定。
1-泵；2-软管；3～8,12～14-阀；9-压力表
10-自激振荡磨料射流喷嘴 11-高压罐；15-磨料罐
图5 自激振荡磨料射流试验系统
试件试验工作条件：泵压5MPa，d1=2.2mm，后喷嘴直径3mm，腔径18mm，磨料：#100河砂，供料量1.5kg/min，靶体：灰岩，钻孔时间120s，靶距20mm。
图6为钻孔后靶体试件，图7所示为自激振荡磨料射流钻孔试验曲线。
图6 钻孔后石灰石
●前混合磨料射流
○自激振荡磨料射流
图7 孔深与腔长的关系
从图7可以看出，当振荡腔长度与前喷嘴直径之比L/d1=(2.27～7.73)时，钻孔深度为前混合磨料射流的(1.15～1.41)倍，L/d1=5.68时比值最大为1.41倍。
自激振荡磨料射流在小靶距下切槽宽度和钻孔直径都小于前混合磨料射流，大靶距下切槽宽度和钻孔直径都远大于前混合磨料射流。
5 初步结论
自激振荡磨料射流喷嘴的特点和工作原理，初步给出了主要结构参数和在振荡射流中磨粒速度的表达式。数值计算结果表明，磨粒速度受振荡频率和幅度影响很大，磨料越细、频率越低，磨粒加速效果越好。初步试验结果表明，自激振荡磨料射流钻孔深度优于前混合磨料射流，L/d1=5.68时，最大钻孔速度提高41%，显示了自激振荡磨料射流优越性。
自激振荡磨料射流是一种十分有应用前景的新型射流，有望用于石油钻井、大洋采矿、难采矿体的开采、坚硬岩石巷道（遂道）的掘进、设备表面清洗、及对坚硬的金属及非金属材料进行切割和特种加工等场合。
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