一种超高速水射流发生装置和发生方法

本发明涉及超高速水射流，具体涉及一种超高速水射流发生装置和发生方法。

背景技术：

1、将其他形式的能量转换为高速水射流对外作功是一种较简单的能量转换和应用形式，高速（或超高速）水射流能用在物料切割、工业清洗、材料表面处理等领域，是近些年发展起来的新技术。高速水射流最大出口速度一般小于1000m/s。超高速水射流可达到2000-4000m/s。

2、目前公开的高速水射流或超高速水射流发生装置包括早期出现的水炮，水炮是一种冲击挤压型发生装置，一个重活塞被驱动源驱动加速，瞬间冲击静止的水柱，水柱被加速经喷嘴喷出形成超高速水射流。还有一种压力挤压型的装置，相当于快速作用的增压器，驱动源产生压力作用于差动活塞大端，活塞的小端挤压喷嘴后方高压腔内的水柱，经喷嘴射出，形成超高速脉冲水射流。也有使用高压水泵产生高速水射流的装置。无论哪种水射流发生装置，都需要驱动源在高压腔内产生极大的压力，目前常见的驱动源有：依靠活塞重力、利用压缩空气（或压力油）的压力；利用化学物质在密闭腔室爆炸所产生的巨大压力；利用燃油在密闭空间燃烧所产生的巨大压力等。

3、研究表明，水射流的穿透力与射流速度的平方成正比，这意味着进一步提高射流速度，能快速提高水射流的穿透力，穿透力更强，水射流应用范围更广，能解决更多工程问题，所以如何进一步提高水射流的速度引起了研究者的重视。

4、通过对现有的水射流发生装置分析可见：要进一步增加水射流速度，要求驱动源产生的压力进一步提高，但高压腔内的压力极限受制于高压腔材料的强度，原本已经很高的压力很难进一步提升；还有现有的水射流装置因要承受高压，普遍体积庞大、笨重、脉冲频率低，还容易产生机械破坏。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的缺点或不足，本发明提供一种超高速水射流的发生装置和发生方法，利用金属丝电爆炸形成的冲击波挤压液体介质产生超高速水射流，装置体积小且本体不需承受高压，是一种全新的产生超高速水射流的驱动方式。

2、为解决上述技术问题，本发明具有如下构成：

3、超高速水射流发生装置，包括高压正极、高压负极，高压正极、高压负极平行且有间距地固定于支架上，每个金属丝或金属箔的两端分别与高压正极和高压负极接触，金属丝阵由多根金属丝围合而成或由一个或多个金属箔围合成回转体形状，高压正极、高压负极分别与高压脉冲电流输出装置的正极和负极电连接；高压正极、高压负极、金属丝阵、支架、置于液体介质中；当高压正极和高压负极之间产生高压电流时，金属丝阵发生电爆炸，在金属丝阵中心区域产生超高速水射流。

4、上述金属丝阵的回转体形状为圆台状或圆柱状。 且金属丝阵中各金属丝或金属箔等间距布置。

5、在金属丝阵中心轴线对应的高压正极和/或高压负极中心开水射流孔。

6、进一步，可以在金属丝阵中心处设置约束筒，约束筒为薄壁筒状，两端均开口或非作功的一端封闭，约束筒将丝阵空间分隔为内外两个独立空间，约束筒内外装入相同的液体或不同种类的液体。

7、高压脉冲电流输出装置包括高压电源、储能电容和空气开关，高压电源正极与空气开关、高压电极串联，储能电容并联于高压电源，位于空气开关前，高压电源负极连接高压负极并接地；当空气开关断开时，高压电源为储能电容充电，充电到设定值后停止充电，接通空气开关，储能电容放电，高压脉冲电流输出装置向高压正极和高压负极供电，金属丝发生电爆炸。

8、一种超高速水射流发生方法，包括以下步骤：

9、s1设计水射流发生装置

10、1.1设计金属丝阵

11、金属丝阵是多根金属丝间隔布置成回转体形状的一组金属丝，回转体的中心轴线为金属丝阵的中心轴线，

12、1.1.1选择不同材质、不同直径、不同数量的金属丝，

13、1.1.2确定金属丝阵回转体形状和参数，

14、1.2设计高压脉冲电流输出装置

15、设计高压脉冲电流输出装置电路，确定高压脉冲电流输出装置的参数。

16、s2 制作水射流发生装置

17、2.1将高压正极、高压负极平行且有间距地固定于支架上。

18、2.2确定金属丝阵中心轴线的位置，逐根将金属丝两端固定于高压正极和高压负极上，按金属丝阵的回转体形状完成金属丝阵的安装。

19、2.3高压脉冲电流输出装置的正极与高压正极连接，负极与高压负极连接并接地，

20、s3产生超高速水射流

21、3.1将不同参数的水射流发生装置置于液体介质中，

22、3.2高压脉冲电流输出装置通电，金属丝发生电爆炸，在金属丝阵中心轴线区域激发水射流，

23、3.3使用测试仪器在金属丝阵中心轴线区域检测水射流的速度，

24、3.4 如果水射流的速度未达到要求的速度，换另一参数的水射流发生装置，重复步骤3.1至3.3，直到检测得到满足速度要求的超高速水射流。

25、步骤1.1.2中，金属丝阵可以为圆柱状，要确定的参数为圆柱的半径和高度；步骤2.1的高压正极、高压负极的间距等于圆柱的高度；步骤2.2中，金属丝距离中心轴线的距离等于圆柱的半径，金属丝的长度等于圆柱的高度。

26、步骤1.1.2中，金属丝阵可以为圆台状，要确定的金属丝阵的参数为圆台的高度，以及大径、小径、锥度中的任意两个；步骤2.1的高压正极、高压负极的间距等于圆台的高度；步骤2.2中，金属丝的长度等于圆台母线的长度，金属丝两端离中心轴线的距离为圆台的大径或小径。

27、s2中增加步骤2.4：在金属丝阵的中心轴线处设置约束筒，约束筒为薄壁筒状，约束筒内外装入相同的液体或不同种类的液体，高速水射流从约束筒中喷出，约束筒两端均开口或非作功的一端封闭。

28、与现有技术相比，本发明的优点在于：

29、本发明的超高速水射流发生装置和发生方法，在液体中两高压电极间预置金属丝阵，通入高压电时金属丝阵发生电爆炸，在金属丝阵中心产生超高速水射流。电极间预置金属丝，为放电电流提供初始通道，消除放电时延与抖动（使得冲击波时延可控），有助于降低预击穿能量损耗、提升冲击波能量转换效率，而且多个金属丝围城的金属丝阵，在金属丝同时爆炸时在丝阵空间中心区域发生能量叠加，几秒内产生高达7000m/s以上的超高速水射流，是一种全新的产生超高速水射流的方法。

30、本发明金属丝电爆炸的巨大能量都转化为高速水射流喷出，不会在装置内产生巨大压力，所以水射流速度不受装置机械结构强度的限制，未来具有更大的发展空间。同时，本发明的装置也更轻巧，便于小型或微型化。

31、金属丝阵为回转体，例如圆柱或圆台或球形，即金属丝（或金属箔）布置在同一圆柱形或圆台形或球形表面，这样各金属丝（或金属箔）距离回转体空间的中心轴线距离相等，每根金属丝电爆炸产生冲击波在中心轴线的能量均等，且各金属丝或金属箔等间距均匀布置，金属丝阵各方向上冲击波对液体介质的作用力均衡，产生的水射流更容易集中在中心轴线区域，不偏斜。

32、在发生装置中增加约束筒，首先，能集中金属丝阵中心的能量，利于提高水流速度，其次，可以在约束筒内装入与液体介质不同类的液体，以满足不同应用场景的需求。