１ 高压射流冲击刚壁的流场分布

      高压射流清理材料表面过程的流场按其流动特性 可分成 ３ 个区域：自由射流区、冲击区和壁面射流区， 如图 １ 所示［５］ 。 自由射流区内，射流受壁面的影响非 常小，因此可认为该区域的流动特性与自由射流相同。 在冲击区，射流急速改变方向，由轴向流动变为径向流 动并且存在极大的压力梯度。 该区域是引起壁面发生 弹塑性变形，甚至塑性去除、脆性去除或断裂的集中区 域。 壁面射流区的流动速度减弱，而且相对平稳，因此 一般不会发生壁面材料变形或去除［６］ 。

       为研究高压水射流与高压磨料射流对刚壁冲击力的分布规律，设计了高压水射流测力系统，见图 ２。

       整个系统包括高压射流系统、测力系统与电控系统３个部分。 高压射流系统由高压柱塞泵、水箱、过滤器、调压阀、单向阀、压力表、节流阀、溢流阀、喷头等组成；测力系统由测力台、测力传感器、数显表、采集卡、ＰＣ 端等组成；电控系统主要通过变频器对电机实施变频控制。 试验时，设置靶距参数，选定测力台，开启高压射流系统，通过变频器调节电机转速控制系统水压 至设定值，由PＣ端采集记录工作台下的冲击力值。 测力台承受射流冲击的面积为圆形，由 Ｎ 个圆盘 构成，按照面积从小到大进行编号，其直径为 ７（Ｎ＋１） ｍｍ，Ｎ∈（１，２，…，２１），由标准 １ ｋｇ 砝码对照数显表进 行标定，利用两相邻圆盘的射流冲击力的差值，确定其 各阶冲击力值。 如表 １ 所示。

       当Ｎ＝１时，为第一圆盘冲击力值与测力圆盘面积的比 值；当 Ｎ＞１ 时，为该径向位置冲击力值与该位置环形 增量面积的比值，单位为 Ｐａ，即：

        选定１４０ｍｍ 靶距，图３为试验获得的在不同系统压力下纯水射流和磨料射流冲击刚壁压力随径向距离的变化关系（多次试验的平均值）。 由图３可知，随径向距离增加，在１阶冲击力值（偏离中心位置７ｍｍ）后，冲击压力急速降低，是一非单调递减的阶梯函数，连接各阶中点位置，可视其为具非单调负指数下降规律（负指数函数和低幅谐波函数的叠加），而非切割小口径喷嘴射流形成的近似高斯分布规律。 压力急速下降的负指数关系是由于射流在冲击区沿径向改变方向后射流速度的耗散，导致非单调下降的低幅谐波变化尚待作进一步的理论和试验研究。系统压力增加，射流压力增加，呈正相关变化，但对射流压力的总体分布规律（分布形状）影响很小，与文献［５］的研究结果一致。 磨料射流除相应的冲击压力增加外，其分布规律基本与纯水射流一致。

       图４给出了纯水和磨料射流在不同系统工作压力和靶距情况下，最大冲击压力（中心位置）的比较。

       在靶距不变的情况下，无论纯水还是磨料射流，其冲击压力与系统压力呈正相关，不同的是，纯水射流在靶距14０ｍｍ时，射流冲击压力明显大于其余3个靶距（１７０ｍｍ，２００ｍｍ，２３０ｍｍ）的冲击压力，且后３个靶距的冲击压力相近；而对于磨料射流，其冲击压力随靶距增大，近似等速率降低，呈负相关变化。

５ 磨料强化效果分析 

       磨料射流和纯水射流的对比试验表明：在一定条件下，磨料的加入对射流冲击压力有显著的强化效果， 这是由于磨料射流为二相流冲击，其密度远大于纯水射流的缘故。 定义强化系数 ν 为：

       图５为不同系统工作压力下，不同靶距位置磨料射流强化系数的对比。

       从图５可以看出，系统工作压力不大于5０ＭPａ、靶距１７０ｍｍ 和系统压力大于５０ ＭＰａ、靶距２００ｍｍ 的情况，具有较高的强化系数。 其中系统压力４５ＭＰａ、靶距１７０ｍｍ，系统压力５０ＭＰａ、靶距１７０ｍｍ 和系统压力５５ ＭＰａ、靶距２００ｍｍ 达到试验参数的最优值。

       图６给出了在不同靶距情况下的平均强化系数随系统工作压力的变化关系。