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力和載體，以特點干冰造粒機(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，利用高速運動的固體干冰顆粒的運動變化(△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，且同時隨氣流清除。不會對被清洗面，特別是不會對金屬表面造成任何傷害，也不會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，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，同時表面積增大，部分污物可以自動剝離。
1.1.2吹掃剝離
在壓縮空氣作為動力的環(huán)境下，其對脆化了污物產(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力推動下產(chǎn)生動能(E)和沖擊力(F):
E=?mv2，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
對于水滲透，即水能滲人垢層之間的孔隙，并對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，產(chǎn)生裂紋且一步一步地擴(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，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)度極限時，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，最后達(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
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;二是實驗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。對于第一個條件，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。對于第二個條件，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條件流量的限制，根據(jù)最大流量可以求得最大喉部面積A*mac

A*mac為最大質(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)計進(jìn)行說明。

2.2收縮段設(shè)計
根據(jù)超音速噴管的設(shè)計要求，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)驗證明，如果穩(wěn)定段來流是均勻的，只要穩(wěn)定段相對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，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)式可計算任意x處的M值，再根據(jù)(1)式，可計算出當(dāng)?shù)亟孛娣e，因而收縮曲線可求得。
2.3擴(kuò)張段設(shè)計

根據(jù)噴管設(shè)計的Foelsch方法，理想氣體軸對稱噴管擴(kuò)張段分為如圖2所示的三個區(qū)域:I區(qū)氣體是從原點發(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，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點馬赫數(shù)已知，由(6)式得WB，再代人(5)式，可求出B點半徑RB，根據(jù)經(jīng)驗,B點馬赫數(shù)選為比C點馬赫數(shù)差0.2。
由圖2可得:

當(dāng)W=WB時，所以

對于A點，其位置與選擇的最大膨脹角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線上各點的R值，進(jìn)而可求出BA線上各點坐標(biāo)及相應(yīng)點氣流參數(shù)。
軸線上原點至B點的速度分布由(5)式給出，而C點的馬赫數(shù)是設(shè)計馬赫數(shù)。那么，若我們假定，B點和C點的速度分布滿足一個三次式:
                      
其中 ，此三次多項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點和C點的位置可以定出，參數(shù)也已知。而通過C點的左特征線為直線，此特征線上馬赫數(shù)為設(shè)計馬赫數(shù)。因此特征線端點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)成的整個特征線網(wǎng)。
2.4特征線法
軸對稱噴管中，氣流特性是對稱于中心軸的，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，則必然會出現(xiàn)兩個間題，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)計的馬赫數(shù)。因此必須對噴管型線加以修正?；诂F(xiàn)在附面層理論還不很完善，且計算復(fù)雜，工程上常采用一種相對簡便的修正方法。它認(rèn)為位移厚度δ*沿軸向是線性發(fā)展的，即存在δx*=xtan?，式中δx*是x點的位移厚度,?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)計程序編制及算例
3.1噴管型線程序編制
噴管計算程序主要由三部分構(gòu)成，分別為收縮段計算程序、擴(kuò)張段計算程序和后處理程序。本程序可完成對三元軸對稱噴管的設(shè)計，得到噴管型線上各點的坐標(biāo)。
3.1.1擴(kuò)張段計算程序(略)
3.1.2收縮段計算程序(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軟件是用于計算流體流動和傳熱問題的程序。它提供的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，對相對復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效?？梢陨傻木W(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)計算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格，這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力對于精確求解有較大梯度的流場有很實際的作用。由于網(wǎng)格自適應(yīng)和調(diào)整只是在需要加密的流動區(qū)域里實施，而非整個流場，因此可以節(jié)約計算時間。
4.2 Gambit建立模型
利用本文的計算程序，輸入喉道半徑5mm和馬赫數(shù)2.5,得出一系列點(x,y,z)。將這些點的坐標(biāo)導(dǎo)入GAMBIT中，顯示各點。將上面各點連接成線，再去除那些點得到一條線(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軟件中建立的半個網(wǎng)格對對稱面對稱一次可以得到整個網(wǎng)格。
其中邊界條件設(shè)置注意，進(jìn)口總壓設(shè)置為6個大氣壓，出口總壓為1個大氣壓。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)計計算程序，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)果的最高馬赫數(shù)為2.51?？梢?，本文的設(shè)計計算程序的計算結(jié)果與用FLUENT商業(yè)軟件計算出的結(jié)果誤差只有0.4%%uFF0C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)果都充分驗證了編制的設(shè)計計算程序的正確性與有效性。 

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