本发明属于极地船舶辅助破冰，具体涉及一种用于高压水射流破冰的锐边孔文丘里型空化喷嘴及其设计方法。
背景技术：
1、目前，冰区船舶的破冰方式主要为船体连续破冰以及冲撞式破冰，破冰效率较低同时对于船体本身的结构强度要求较高。连续破冰适用于较薄冰层，若冰层较厚则需要采用冲撞破冰，而破冰船的破冰能力存在上限，一旦无法通过冲撞破冰冲破冰层，破冰船就可能发生冰困，此时必须通过辅助破冰方式进行破冰。
2、辅助破冰方式主要由爆炸破冰、机械切割破冰以及水射流破冰等。高压水射流作为一种新型技术，可以通过产生较大的压强对冰层进行破坏，同时其以水作为工质，具有使用成本低、环境影响小、控制精度高等特点。
3、水射流在接触冰面的瞬间可以形成冲击波，引发冰面的变形以及破坏。水射流的冲击可以分为与冰面接触前的直接冲击以及与冰面接触后的滞后流冲击，其中直接冲击的压力峰值远大于后续的滞后流冲击。
4、文丘里管为一段横截面积依次为大、小、大的流管，利用文丘里管喉部的高流速以及扩张段的高强度涡流扰动能够以极低的代价安全地产生空化微气泡，而且文丘里管自身并不需要耗能，结构简单因而运行、维护费用低。目前文丘里管广泛用于如化学原料混合、流速测量、矿物浮选、污水处理以及提高水体溶解氧等各领域。
5、空化气泡寿命相对于超声波所产生的微气泡寿命更长，其膨胀与坍塌过程中会释放出较大的能量，在周围流场中产生滞后流，使得周围物质受到力矩作用。同时气泡在固体表面的坍塌会产生速度超过百米每秒的微小射流，对固体产生较大冲量影响，进而造成破坏，例如船舶螺旋桨的空泡腐蚀。此外，气泡在坍塌时其内部的压力与温度会急剧上升并向外辐射冲击波，对外造成冲击引发损伤。最后气泡在接触固体表面时形成的局部空腔将水射流与固体表面分离，使得后续来流的冲击产生类似直接冲击的效果，增强其破坏能力。
6、在现有的船用辅助破冰装置中，使用水射流进行破冰的专利较少，主要为船载机械式辅助破冰装置，以申请号为cn202111462352.5的专利为例，其通过多级连杆、齿轮结构带动撞击锤撞击冰面进行破冰，结构复杂、效率低。同时由于该装置直接与船体相连接，撞击造成的机械振动会对船体结构造成影响，其对船体的影响远大于所述专利。
7、在现有的非机械式破冰装置中，通过空化射流中空化泡的溃灭特性所造成的高压载荷进行破冰的专利较少，以申请号为cn202110725530.2、cn202011072195以及cn201710129035.9的专利为例，cn202110725530.2号专利改进了水射流装置的喷口形状使得射流在喷出时与出口流体的混杂减小，进而一定程度上提高了射流的初次冲击载荷，但此装置的滞后流冲击载荷远小于初次冲击载荷，无法进一步毁伤冰层；cn202011072195号专利通过高压气泡进行破冰，可以重复利用且环境友好性高，但是其需要储气室以及恒压气罐两个高压容器配合，结构较为复杂，对于零部件的可靠度要求高；cn201710129035.9号专利通过气泡发生装置在冰层下方生成气泡，通过气泡的膨胀与坍塌对冰层造成破坏，无需投放爆炸物，对环境较为友好，同时为非接触式破冰，对于船体影响小，但是其气泡发生装置与冰层的垂直距离要求较高，同时气泡发生装置需要投放入水进行作业，使得作业成本高，且容易造成装置损坏。而所述作为非接触式破冰装置，兼具三者环保、对船舶影响小、无需对船体进行改造、结构简单以及作业成本较低等特点。
8、在现有的空化射流破冰装置中，便利性以及高效性不足，以申请号为201921679262.x的专利为例，此专利使用空化射流进行作业，但是其机理为使用气泡对冰面进行切割，而非直接击碎冰层。同时其需要安装于船体，需要对船体进行改造，可移植性与便利性较差。此外，该专利的射流为倾斜入射，且无法改变射流入射角度，相同条件下产生的冲击载荷低于本专利。最后该专利在射流通过文丘里管后直接在扩张段射出，射流扩张，载荷分布面积大且无法产生管壁回流造成周期性的空化振荡，进而无法产生周期性的峰值载荷。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服传统水射流辅助破冰方式滞后流冲击压力远小于首次冲击的问题，提供一种用于高压水射流破冰的锐边孔文丘里型空化喷嘴。本发明设计了一个特殊的锐边孔文丘里管，通过其产生的周期性空化振荡来生成周期性的空化云，空化云随射流与物面接触、溃灭并在此过程中对壁面形成周期性冲击载荷。
2、一种用于高压水射流破冰的锐边孔文丘里型空化喷嘴，包括依次连接的喷管入口模块、锐边孔文丘里管模块、喷管出口模块和喷嘴模块；所述锐边孔文丘里管模块包括喉部与渐扩段，所述喉部采用直角锐边孔管段，喉部前端与喷管入口模块连通，喉部后端与渐扩段前端连通，渐扩段后端与喷管出口模块连通。
3、进一步地，所述喷管入口模块、锐边孔文丘里管模块和喷管出口模块的管道外径相同；所述喷管入口模块与喷管出口模块的管道内径相同；所述锐边孔文丘里管模块的渐扩段前端内径与喉部内径相同，渐扩段后端内径与喷管出口模块的管道内径相同。
4、进一步地，所述锐边孔文丘里管模块的喉部长度lth与内侧直径dth满足1≤lth/dth≤2，渐扩段的扩张角度取值范围为16°≤β≤45°。
5、进一步地，所述喷管入口模块的管道内侧直径din与外侧直径dtu满足1.3din≥dtu≥1.1din，喷管入口模块的管道内侧直径din与锐边孔文丘里管模块的喉部内侧直径dth满足din≥4dth。
6、进一步地，喷管入口模块内部的高压水流从直角锐边孔进入锐边孔文丘里管模块的喉部时，会产生附着在管壁的空化泡，空化泡聚集形成空化区并向下游延伸到渐扩段，在渐扩段中由于逆压力梯度会产生沿管壁向上游流动的逆流，逆流促使后半段空化区脱落产生空化云，空化云随射流从喷嘴模块射出，对喷射对象形成周期性冲击载荷。
7、进一步地，空化现象强度使用无量纲数空化数τ表示，具体计算方法为：
8、
9、其中，q为与喷管入口模块连接的高压水泵输入的高压水流量，ρ为水的密度，v为水的运动学粘性系数，n为高压水泵的功率；lin为喷管入口模块的总长度；lout为喷管压力传递长度，即从锐边孔文丘里管模块的喉部前端到喷嘴模块末端的距离；dsout为喷嘴模块中喷嘴的内侧直径；
10、空化数τ的取值范围为0.02≤τ≤0.35。
11、一种用于高压水射流破冰的锐边孔文丘里型空化喷嘴的设计方法，包括以下步骤：
12、步骤1：根据实际破冰需求，确定向喷管入口模块提供高压水输入的高压水泵功率n、高压水流量q、水的密度ρ和水的运动学粘性系数v；
13、步骤2：根据约束条件，设计喷管入口模块、锐边孔文丘里管模块、喷管出口模块、喷管压力传递长度lout和喷嘴的内侧直径dsout；
14、喷管入口模块的设计参量包括总长度lin、管道内侧直径din与外侧直径dtu；锐边孔文丘里管模块的设计参量包括喉部长度lth、喉部内侧直径dth和渐扩段的扩张角度β；喷管出口模块与喷管入口模块、锐边孔文丘里管模块的管道外径相同，均为dtu；喷管入口模块的管道内径、喷管出口模块的管道内径与锐边孔文丘里管模块渐扩段后端内径相同，均为din；锐边孔文丘里管模块的渐扩段前端内径与喉部内径相同，均为dth；喷管压力传递长度lout为从锐边孔文丘里管模块的喉部前端到喷嘴模块末端的距离；
15、所述约束条件包括：
16、1)1≤lth/dth≤2；
17、2)16°≤β≤45°；
18、3)1.3din≥dtu≥1.1din；
19、4)din≥4dth；
20、5)0.02≤τ≤0.35，
21、步骤3：设计喷嘴模块；喷嘴模块采用螺纹结构与喷管出口模块连接，螺纹连接处直径dt为dt＝0.5din+0.5dth，喷嘴承压厚度ds1为喷嘴长度ls为
22、本发明的有益效果在于：
23、本发明在水射流破冰过程中产生周期性高压脉冲载荷，弥补了传统水射流喷头滞后流压力载荷较低的不足，提高了水射流破冰装置的破冰能力与破冰效率。本发明通过高速水射流冲击以及空化云的喷张、收缩与溃灭对冰层造成周期性的瞬时高压载荷，不存在机械结构与冰层的相互作用，同时空化泡也能吸收部分冲击能量，能够有效避免船体及其附属机械结构的损坏，同时主要工质为水，无需使用化学爆炸物，对环境基本无污染且基本不会影响海洋生物，环保安全性高。本发明对于冰层的毁伤效果可以通过对外接水泵功率、流量以及可替换喷嘴口径的调整来进行调整，能够适应在实际情况中不同种类、不同厚度海冰所具有的不同的力学特性，能一定程度提高破冰效率、降低破冰能耗。使用本发明无需对现有破冰船船体进行改造，使用成本低。
1.一种用于高压水射流破冰的锐边孔文丘里型空化喷嘴，其特征在于：包括依次连接的喷管入口模块、锐边孔文丘里管模块、喷管出口模块和喷嘴模块；所述锐边孔文丘里管模块包括喉部与渐扩段，所述喉部采用直角锐边孔管段，喉部前端与喷管入口模块连通，喉部后端与渐扩段前端连通，渐扩段后端与喷管出口模块连通。
2.根据权利要求1所述的一种用于高压水射流破冰的锐边孔文丘里型空化喷嘴，其特征在于：所述喷管入口模块、锐边孔文丘里管模块和喷管出口模块的管道外径相同；所述喷管入口模块与喷管出口模块的管道内径相同；所述锐边孔文丘里管模块的渐扩段前端内径与喉部内径相同，渐扩段后端内径与喷管出口模块的管道内径相同。
3.根据权利要求2所述的一种用于高压水射流破冰的锐边孔文丘里型空化喷嘴，其特征在于：所述锐边孔文丘里管模块的喉部长度lth与内侧直径dth满足1≤lth/dth≤2，渐扩段的扩张角度取值范围为16°≤β≤45°。
4.根据权利要求3所述的一种用于高压水射流破冰的锐边孔文丘里型空化喷嘴，其特征在于：所述喷管入口模块的管道内侧直径din与外侧直径dtu满足1.3din≥dtu≥1.1din，，喷管入口模块的管道内侧直径din与锐边孔文丘里管模块的喉部内侧直径dth满足din≥4dth。
5.根据权利要求4所述的一种用于高压水射流破冰的锐边孔文丘里型空化喷嘴，其特征在于：喷管入口模块内部的高压水流从直角锐边孔进入锐边孔文丘里管模块的喉部时，会产生附着在管壁的空化泡，空化泡聚集形成空化区并向下游延伸到渐扩段，在渐扩段中由于逆压力梯度会产生沿管壁向上游流动的逆流，逆流促使后半段空化区脱落产生空化云，空化云随射流从喷嘴模块射出，对喷射对象形成周期性冲击载荷。
6.根据权利要求5所述的一种用于高压水射流破冰的锐边孔文丘里型空化喷嘴，其特征在于：空化现象强度使用无量纲数空化数τ表示，具体计算方法为：
7.一种权利要求1所述用于高压水射流破冰的锐边孔文丘里型空化喷嘴的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
