1工業(yè)物理清洗及機(jī)理
1.1干冰清洗簡介
干冰噴射清洗又稱冷噴，是以壓縮空氣作為動(dòng)力和載體，以特點(diǎn)干冰造粒機(jī)（干冰制造機(jī)、干冰制粒機(jī)、干冰粒制機(jī)、干冰機(jī)、制冰機(jī)）制備的干冰顆粒作為被加速的粒子，通過專用的干冰噴射清洗機(jī)（干冰清洗機(jī)、干冰噴射機(jī)、干冰噴射器、干冰洗模機(jī)、模具清洗機(jī)）噴射到被清洗物體表面，利用高速運(yùn)動(dòng)的固體干冰顆粒的運(yùn)動(dòng)變化(△mv)、升華、熔化等能量轉(zhuǎn)換，使被清洗物體表面的污垢、油垢、殘留雜質(zhì)等迅速冷凍，從而凝結(jié)、脆化、被剝離，且同時(shí)隨氣流清除。不會(huì)對(duì)被清洗面，特別是不會(huì)對(duì)金屬表面造成任何傷害，也不會(huì)影響金屬表面的光潔度。
具體清洗過程包括:干冰低溫冷凍剝離、吹掃、剝離和沖擊剝離。
1.1.1低溫冷凍剝離原理
-78.5℃的干冰顆粒作用在被清洗的物體表面時(shí)，首先冷凍脆化污物，污物在被清洗的表面上皸裂，由粘彈態(tài)變成固態(tài)，且脆性增大，粘性減小，使之在表面上的吸附力驟減，同時(shí)表面積增大，部分污物可以自動(dòng)剝離。
1.1.2吹掃剝離
在壓縮空氣作為動(dòng)力的環(huán)境下，其對(duì)脆化了污物產(chǎn)生剪切力，引起機(jī)械斷裂，由于污物與被清洗物表面低溫收縮比差別很大，在接觸面處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，污物在剪切力作用下剝離。
1.1.3沖擊剝離
干冰顆粒在壓縮空氣動(dòng)力推動(dòng)下產(chǎn)生動(dòng)能(E)和沖擊力(F):
E=½mv2，式中：m—干冰顆粒質(zhì)量（kg）；
v—干冰顆粒在壓縮空氣作用下產(chǎn)生的速率(m/s)。
F·t=m·?v，?v=v1-v2，式中:m一干冰顆粒質(zhì)量(kg），
v1—干冰粒沖擊被清洗表面前速率(m/s ) ;，v2一干冰粒沖擊被清洗表面后的速率(m/s);F為沖擊力(N);t為沖擊時(shí)間(s)。
1.2高壓水射流清洗
1.2.1以滲透為主的破碎過程
對(duì)于水滲透，即水能滲人垢層之間的孔隙，并對(duì)垢層顆粒施加壓力的各類垢層，當(dāng)此壓力大于顆粒之間的引力時(shí)，產(chǎn)生裂紋且一步一步地?cái)U(kuò)散，后面的射流又直接起壓縮、剪切和水楔作用，從而使污垢產(chǎn)生裂縫、凹坑到全部剝落。在這個(gè)過程中起決定作用的是水的滲透引起的作用于垢層顆粒上的水壓力，當(dāng)該水壓力足夠克服垢層顆粒之間的黏著力時(shí)，垢層顆粒之間產(chǎn)生裂紋，在后續(xù)射流作用下，裂紋擴(kuò)散、擴(kuò)張，并逐步成裂縫，使其剝落。裂紋的擴(kuò)散方向和污垢的滲透方向、污垢結(jié)構(gòu)有關(guān)，擴(kuò)散速度與滲透速度有關(guān)。水射流的壓縮、剪切和水楔作用也或多或少地促進(jìn)了污垢破碎，加速污垢剝落，而且污垢破碎、剝落的方向與射流的工作方向有關(guān)。
1.2.2直接壓縮和剪切為主的過程
對(duì)于軟黏的滲透性的物料垢，主要是通過水壓力直接壓縮和剪切引起破碎應(yīng)力。當(dāng)該應(yīng)力按照一定的規(guī)律超過垢層的強(qiáng)度~限時(shí)，垢層將產(chǎn)生裂紋、裂縫，在后續(xù)水射流的水楔等作用
下擴(kuò)張成坑，~后達(dá)到垢層的全部破裂并被沖洗干凈。
2干冰噴射清洗機(jī)噴槍噴管設(shè)計(jì)
2.1基本理論
在超音速風(fēng)洞中，要產(chǎn)生不同馬赫數(shù)的超音速氣流，必須滿足三個(gè)條件[1]:一是風(fēng)洞的上下游必須有足夠的壓力比，并且壓力比隨馬赫數(shù)提高而增大;二是實(shí)驗(yàn)段與喉部必須保持一定的面積比，并且面積比隨馬赫數(shù)而變化;三是必須滿足一定的流量要求。對(duì)于第一個(gè)條件，以工作段氣流經(jīng)過正激波直接進(jìn)人大氣的損失計(jì)算，則穩(wěn)定段(即噴管進(jìn)口)與工作段出口的壓力比如表1所示。對(duì)于第二個(gè)條件，根據(jù)等熵流公式(1)
氣流在超音速噴管中加速所能達(dá)到的馬赫數(shù)M2，決定于噴管出口(即工作段)面積A2和喉部面積A*之比。通過改變面積比就可以得到要求的馬赫數(shù)。而喉部面積又受到第三個(gè)條件流量的限制，根據(jù)~大流量可以求得~大喉部面積A*mac
A*mac為~大質(zhì)量流量，P為喉部空氣密度，a為喉部氣流速度(音速)。下面分別就噴管的收縮段和擴(kuò)張段的設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。
2.2收縮段設(shè)計(jì)
根據(jù)超音速噴管的設(shè)計(jì)要求，到達(dá)喉部的高速流必須是均勻的亞音速，收縮段是將穩(wěn)定段來的氣流均勻加速至音速。經(jīng)驗(yàn)證明，如果穩(wěn)定段來流是均勻的，只要穩(wěn)定段相對(duì)于喉部的截面積收縮比足夠大，則采用一條光滑連續(xù)而有漸變的收縮曲線就能基本滿足要求。
收縮段如圖1所示。進(jìn)口處面積為A1，馬赫數(shù)為M1;出口處為喉部面積為A*，馬赫數(shù)為1。收縮段長為L，從0到1，表示從進(jìn)口開始的相對(duì)距離。設(shè)沿軸向的馬赫數(shù)梯度為dM/dx=Ksinπ2x。當(dāng)x=0和x=1時(shí)，dM/dx-0。表示氣流在收縮段進(jìn)出口處的加速度為零。K為系數(shù)，其值取決于氣流經(jīng)過收縮段的馬赫數(shù)增量。積分上式得:
根據(jù)(1)式面積比公式，若A1和A*給定，則M1為已知，則由(3)式可計(jì)算任意x處的M值，再根據(jù)(1)式，可計(jì)算出當(dāng)?shù)亟孛娣e，因而收縮曲線可求得。
2.3擴(kuò)張段設(shè)計(jì)
根據(jù)噴管設(shè)計(jì)的Foelsch方法，理想氣體軸對(duì)稱噴管擴(kuò)張段分為如圖2所示的三個(gè)區(qū)域:I區(qū)氣體是從原點(diǎn)發(fā)射出的泉流，II區(qū)將泉流整流直到III區(qū)，III區(qū)氣流為具有相同馬赫數(shù)的平行均勻流。在I區(qū)中氣流以原點(diǎn)O作為中心，成輻射形泉流，r=r*相當(dāng)于喉道處的情況,r>r*處是超音速流。各點(diǎn)的速度、馬赫數(shù)和r的關(guān)系為:
a*為喉道音速，利用參考長度r*，參考速度a*進(jìn)行無因次化:r/r* =R,V/a *=W
給定，空氣是理想氣體時(shí)，γ =1.4，因此α=6，（4）式化為：
可得馬赫數(shù)M和速度比W之間的關(guān)系:
若B點(diǎn)馬赫數(shù)已知，由(6)式得WB，再代人(5)式，可求出B點(diǎn)半徑RB，根據(jù)經(jīng)驗(yàn),B點(diǎn)馬赫數(shù)選為比C點(diǎn)馬赫數(shù)差0.2。
由圖2可得:
當(dāng)W=WB時(shí)，所以
對(duì)于A點(diǎn)，其位置與選擇的~大膨脹角θA有關(guān)，θA又與工作段馬赫數(shù)有關(guān)，其關(guān)系如表2所示。
將θAN等分，根據(jù)（7）式、(5)式可得BA線上各點(diǎn)的R值，進(jìn)而可求出BA線上各點(diǎn)坐標(biāo)及相應(yīng)點(diǎn)氣流參數(shù)。
軸線上原點(diǎn)至B點(diǎn)的速度分布由(5)式給出，而C點(diǎn)的馬赫數(shù)是設(shè)計(jì)馬赫數(shù)。那么，若我們假定，B點(diǎn)和C點(diǎn)的速度分布滿足一個(gè)三次式:
其中 ，此三次多項(xiàng)式滿足的邊界條件為:
選定xc的值，把這些邊界條件代人(8)式，經(jīng)簡化得:
這樣一來，B點(diǎn)和C點(diǎn)的位置可以定出，參數(shù)也已知。而通過C點(diǎn)的左特征線為直線，此特征線上馬赫數(shù)為設(shè)計(jì)馬赫數(shù)。因此特征線端點(diǎn)E容易定出，將AB,BC,CE作為邊界條件，利用三元特征線理論就可以求出它們構(gòu)成的整個(gè)特征線網(wǎng)。
2.4特征線法
軸對(duì)稱噴管中，氣流特性是對(duì)稱于中心軸的，可以只研究通過中心軸的xy平面的流態(tài)就決定了整個(gè)噴管的流態(tài)(從略)。
2.5噴管型線的確定及附面層修正
如果噴管按上述型線加工，而不經(jīng)過附面層修正，則必然會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)間題，一是由于壁面存在粘性附面層，并且其厚度不斷增加，因而改變了波系的形狀，使達(dá)到噴管出口時(shí)得不到均勻的氣流;二是附面層的存在減小了有效的流通面積，改變了面積比，使噴管達(dá)不到設(shè)計(jì)的馬赫數(shù)。因此必須對(duì)噴管型線加以修正。基于現(xiàn)在附面層理論還不很完善，且計(jì)算復(fù)雜，工程上常采用一種相對(duì)簡便的修正方法。它認(rèn)為位移厚度δ*沿軸向是線性發(fā)展的，即存在δx*=xtanß，式中δx*是x點(diǎn)的位移厚度,ß跟工作段馬赫數(shù)的值有關(guān)，可以按表3取值。雖然方法較為粗糙，但仍能得到相當(dāng)滿意的結(jié)果。
3噴管設(shè)計(jì)程序編制及算例
3.1噴管型線程序編制
噴管計(jì)算程序主要由三部分構(gòu)成，分別為收縮段計(jì)算程序、擴(kuò)張段計(jì)算程序和后處理程序。本程序可完成對(duì)三元軸對(duì)稱噴管的設(shè)計(jì)，得到噴管型線上各點(diǎn)的坐標(biāo)。
3.1.1擴(kuò)張段計(jì)算程序(略)
3.1.2收縮段計(jì)算程序(略)
3.1.3后處理程序(略)
3.2算例
輸人吼道半徑5mm，出口馬赫數(shù)2.5,得到如下形式的計(jì)算結(jié)果如表4所示。
4數(shù)值模擬
4.1 FLUENT軟件
FLUENT軟件是用于計(jì)算流體流動(dòng)和傳熱問題的程序。它提供的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，對(duì)相對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效。可以生成的網(wǎng)格包括二維的三角形和四邊形網(wǎng)格;三維的四面體，六面體及混合網(wǎng)格。FLUENT還可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格，這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力對(duì)于精確求解有較大梯度的流場(chǎng)有很實(shí)際的作用。由于網(wǎng)格自適應(yīng)和調(diào)整只是在需要加密的流動(dòng)區(qū)域里實(shí)施，而非整個(gè)流場(chǎng)，因此可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間。
4.2 Gambit建立模型
利用本文的計(jì)算程序，輸入喉道半徑5mm和馬赫數(shù)2.5,得出一系列點(diǎn)(x,y,z)。將這些點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)入GAMBIT中，顯示各點(diǎn)。將上面各點(diǎn)連接成線，再去除那些點(diǎn)得到一條線(即噴管型線)。
再將上圖的曲線繞x軸旋轉(zhuǎn)，并選擇個(gè)面，并構(gòu)成體，再畫出網(wǎng)格，得出三維網(wǎng)格。(圖略)
4.3數(shù)值模擬
將網(wǎng)格導(dǎo)人FLUENT軟件中，先把在Gambit軟件中建立的半個(gè)網(wǎng)格對(duì)對(duì)稱面對(duì)稱一次可以得到整個(gè)網(wǎng)格。
其中邊界條件設(shè)置注意，進(jìn)口總壓設(shè)置為6個(gè)大氣壓，出口總壓為1個(gè)大氣壓。得出噴管內(nèi)的馬赫數(shù)分布，可以看出喉道出的馬赫數(shù)達(dá)到1，并且出口附近的馬赫數(shù)達(dá)到2.51。
5結(jié)論
本文編制了相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算程序，并輸入喉道半徑5mm,輸入出口馬赫數(shù)2.5，得到管道曲線。再用FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果的~高馬赫數(shù)為2.51。可見，本文的設(shè)計(jì)計(jì)算程序的計(jì)算結(jié)果與用FLUENT商業(yè)軟件計(jì)算出的結(jié)果誤差只有0.4%，另外，在馬赫數(shù)分布圖中，馬赫數(shù)分布非常均勻的沿x軸方向逐漸增加。以上這些結(jié)果都充分驗(yàn)證了編制的設(shè)計(jì)計(jì)算程序的正確性與有效性。