Page 136 - 《爆炸与冲击》2023年第2期

第 43 卷 陈源捷，等： 基于ESGA遗传算法的水射流自驱旋转喷头优化设计 第 2 期

单个喷嘴在平面上的运动轨迹是匀速圆周运动与沿 x 轴方向的匀速直线运动的合成，所以高速射
流束打击在船壁的扫掠轨迹方程为：
ß
x = rcos(ωt +φ)+vt
(4)
y = rsin(ωt +φ)
式中：ω 为喷头做匀速圆周运动时的角速度。其中：
Å ã
|y 0 |+htanα
φ = arctan (5)
|x 0 |
又因为 ω = 2πn /60，其中 n 为喷头做匀速圆周运动时的转速，代入式 (4) 中，得到射流束的扫掠冲击
s
s
轨迹方程为：
 Å ã
2πn s
 x = r cos t +φ +vt

60

(6)
Å ã
 2πn s
 y = r sin t +φ

60
2.1.2 喷头扫掠冲击时间模型
在水射流自驱旋转喷头除锈作业过程中，高速射流沿着螺旋轨迹打击船壁，为了可以定量化分析螺
旋轨迹线的疏密程度（即射流打击能量分布均匀度），提出一种喷头扫掠冲击时间模型。在冲击轨迹重
叠区域的任意横坐标位置处，在纵向均匀地取 n 个打击观测点，如图 9 所示。图中，∆t 为轨迹的采样时
a
间， r 、r 为射流打击点与观测点之间的距离。
2
1
Impinging point Observation point

Δt

r 1
r 2
r v

y
Trajectory line
O x

图 9 喷头扫掠冲击时间模型及观测点局部放大图
Fig. 9 Sweep impinging-time model of water jet sprayer and local enlargement around observation point
如图 9 所示，为评估各喷嘴的水射流对船壁表面各点的打击贡献度，将射流运动轨迹按一定时间间
隔离散化为有限个射流打击点。根据实际一字形自驱旋转喷头除锈经验 [18] ，发现相邻轨迹线的距离小
于 2d 才能使除锈后表面洁净度到达 Sa2.5 级，在此选定 r = 2d 作为射流束的有效打击半径。当观测点
v
位于射流打击范围内（r ≤ r 时）视为一次有效打击；当观测点未进入射流打击范围（r ≥ r ）时视为一次
v
v
1
2
无效打击。喷头整体匀速平移一段时间内，统计扫掠过程中观测点的有效打击次数。假设纵向上任一
观测点的有效打击次数为 N （i = 1, 2, … , n ），相邻两个射流打击点的时间间隔为∆t，则某观测点的扫掠
a
i
冲击累计时间为：
T i = (N i −1)∆t (7)
尽管喷头整体平移速度以及旋转的角速度都是均匀的，但由于水射流的旋转速度方向不断变化，造
成射流能量在平移的垂直方向上不均匀分布。观测点处的射流能量分布与该点的扫掠冲击时间成正
比，因此只需研究扫掠冲击时间的变化规律，便可获得射流能量分布规律。这里采用的计算方法是求以

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