新型气-固喷射器结构参数及性能研究_苏永生.pdf

：新型气固喷射器结构参数及性能研究收稿日期：；修回日期：。作者简介：苏永生（），男，讲师，博士，主要研究方向为船舶辅助机械性能优化。通信作者：屈铎（），男，讲师，博士，。苏永生，吴爱华，屈铎（海军工程大学 动力工程学院，武汉 ；华中科技大学 能源与动力工程学院，武汉 ）摘要：在工业清洗中，气固两相流清洗方式越来越受重视。设计了一种结构简单、加工方便的新型气固喷射器，针对种不同结构参数的喷射器，采用 对其进行数值模拟，利用拉格朗日和欧拉法相结合的数值模拟方法，通过对比模拟结果找出优化方向，并将所设计的模型（颗粒入口孔位置位于扩张段出口处、扩张段长度、出口孔径）作为最终的优化结果。对优化后的模型进行变工况分析，分别改变颗粒直径及进口压力，模拟结果显示，颗粒直径越大引射能力越好，但是颗粒出口速度越小；对于模型，在进气压力为 时引射能力达到峰值，但颗粒出口速度随进气压力的增大而增大。关键词：气固喷射器；工业清洗；结构优化中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，（，），；，：；工业清洗在各种工业活动中起着不可或缺的作用。传统清洗行业所采用的清洗方法主要是机械清洗和化学清洗，但机械清洗可能会破坏被清洗物品，化学清洗往往存在化学反应产物处理问第 卷第期 年月 海军工程大学学报 题。近年来，超声波清洗、高压水洗、激光清洗等方法相继推出，但这些方法均存在一定局限性。而利用气固两相流来清洗固体表面污垢的方法因其优势越来越得到重视，与传统的清洗方法相比，气固两相流清洗方式具有效率高、清洁环保、不腐蚀被清洗表面以及适用范围广等优势，已广泛应用于石油加工、金属加工、军事装备、航空航天、汽车制造等行业领域。气固两相流清洗主要是通过高压气体引射细小的固体颗粒进行作业，因此在清洗过程中，引射器是关键设备。郭建等提出了用等马赫数梯度法来设计喷射器的壁面型线，极大地提高了喷射器的性能。刘福海等对比分析了传统拉瓦尔喷管及曲线拉瓦尔喷管在高温条件下的射流马赫数分布动压及射流卷吸特性。张海峰等对喷射器内颗粒运动轨迹进行了分析，指出收缩型喷嘴的入口直径对气固喷性能有一定影响。等 采用 （）方法对 喷管内氧化铝颗粒的运动特性进行了分析，得出了优化的喷管参数。本文提出了一种新型适用于工业清洗的气固引射器结构，与传统引射器相比较，该引射器的主要优点在于大幅简化结构，去掉独立的气固混合室，从而最大程度避免固体通道的堵塞，更有利于推广应用。本文采用 对该新型引射器流动特性进行数值模拟，建立喷气装置的气固两相流数值模型，分析了气固两相流的流体动力特性，从喷气装置结构参数、颗粒直径、入口压力等角度进行模拟分析，获得了新型喷射装置的优化设计结果以及不同工况下的工作特性。喷射装置结构及工作原理喷射器清洗壁面原理喷射装置以高压空气作为能量来源，高压空气在喷射器管道内经过收缩加速，在喉部达到音速，并在喉部出口处膨胀形成局部超音速气流。在超音速气流附近设置固体颗粒引入孔口，依靠高速气流形成的局部负压效应卷吸固体颗粒并汇入主流道，固体颗粒在主流道中被高速气流持续加速，最终与气流一起在喷射装置出口被高速喷出。携带大量固体颗粒的高速气流射出喷射装置后撞击被清洗的壁面，由于固体颗粒携带较大的动能，高能颗粒撞击被清洗壁面后，对壁面上的附着物包括油污、油漆、锈迹等形成有效的破坏作用，被高能颗粒破坏的壁面附着物最终被高速气流冲刷带走，达到清洁的目的。因此，为提高清洗效果，对引射器进行优化，旨在找出引射流量高且出口颗粒速度大的结构参数。本文所采用的固体颗粒是 ，是一种较易破碎且比重、刚度都较适中的材料。高速 颗粒撞击壁面的时候，只会对强度及刚度较弱的油漆等污渍产生破坏作用，而不会破坏被清洗表面的金属，确保了被清洗表面的安全。结构对比传统喷射器结构与本文设计的新型喷射器结构对比如图所示。传统喷射器由主喷嘴、吸入室、混合室和扩散室组成，其加工时需将喷嘴与吸入室分别完成后再组装，由于各部分的构造及配合使得其对加工精度要求较高。为降低加工成本，本文设计了新型喷射器，即由入口段、喷嘴、出口段组成，简单的一体化结构可极大提高加工效率。图传统喷射器与新型喷射器结构对比图 本文分别考虑引射管位置及角度、扩张段张角以及喷射器出口直径的影响，设计了若干喷射器模型，各模型气体进口直径均为，固体进口直径传统模型为、新型喷射器为，收缩加速段长度为，喉部直径为，喉部长度为，传统模型混合室直径为、第期苏永生 等：新型气固喷射器结构参数及性能研究出口孔径为，总体长度为 ，其余参数变量如表所示。表各模型结构参数对比 颗粒入口孔位置扩张段长度 出口孔径 模型距扩张段出口 模型扩张段出口处 模型扩张段出口处 模型扩张段出口处 模型位于扩张段上 数值模拟数学模型湍流模型在预测喷射器中的湍流强度或平均压 力变化等方 面具有较好的适用性。因此，本文采用 湍流模型及基于拉格朗日法的 模型对流道内的颗粒物进行模拟研究，分析不同工况条件下的连续气相以及离散固相耦合流动特性。.气相控制方程）连续方程（）。（）式中：为气体密度；为气体速度；为时间；为坐标方向；为质量源项。）动量方程在惯性坐标系下，方向的动量守恒方程为（）（）（）。（）式中：为坐标方向；为压力；为动力粘度；为克罗内克函数；，为重力体积力和其他体积力。）方程和方程分别为（）（）；（）（）（）（）。（）式中：为方程的普朗特数；为湍流动力粘度；为浮力产生的湍流动能；为速度产生的湍流动能；为湍流耗散率；为可压缩流体中基于体积膨胀脉动量的耗散率；为方程的普朗特数；，均为常数；，为其他源项。.颗粒控制方程单位质量固体颗粒运动方程为 （）。（）式中：为阻力系数；为流体速度；为颗粒速度；为颗粒密度；为颗粒直径；为流体动力粘度；为颗粒雷诺数。网格无关性验证建立上述种结构的喷射器三维模型，使用 软件采用非结构网格对其进行网格划分，并设置边界层，所生成的网格模型如图所示。图模型网格划分 然后，对模型进行网格无关性验证，分别采用网格数量约为万、.万和万，对同一工况进行模拟计算，得到出口空气流动速度相差分别为.和.，误差已到允许范围。本文选用网格数量约为万的网格模型。求解条件设置利用 软件进行数值计算，设置压力入口和压力出口边界条件。引射器的高压工作流体由空压机提供，根据空压机的工作参数，工作流体压力设置为 ，引射入口及出口与外界相通，因此引射压力和出口压力设置为。入口温度和出口温度为 ，壁面设置为无滑移绝热壁面。对气相采用欧拉法，工质为空气，湍流模型采用 模型，采用 模型添加离散相颗粒，颗粒介质为 ，颗粒比热为 ，密度为 。模型验证构建文献 中引射器的三维结构，并参考其工质的物理参数以及操作条件，运用本次模拟的计算方法对其进行模拟计算，与文献中的结果对比如图所示。由图可见，文献值与模拟值误差均不大于，由此可证明本次模拟方法的海军工程大学学报第 卷可靠性。图文献值与模拟结果对比 模拟结果与讨论模型对比优化对个喷射器模型进行模拟，在颗粒直径为.、进气压力为 工况下，比较不同 颗 粒 注 入 流 量（，）下的喷射情况以及颗粒注入流量为时颗粒的运动轨迹。.颗粒轨迹分布以颗粒注入流量为为例，个模型的颗粒轨迹如图所示。图颗粒注入流量时各模型的颗粒轨迹分布 从各模型的颗粒轨迹分布可以看出，颗粒流量为时，模型中的固体颗粒无法进入喷射装置的主流动区域，颗粒全部回流，无法正常工作。模型只有少部分颗粒进入主流道，大部分颗粒回流，工作效率较低，导致此现象的主要原因是喷射装置喉部出口膨胀段尺寸过短，高速气流在喉部形成音速后在出口处形成剧烈膨胀，达到超音速后又迅速形成激波突变为亚音速，造成入口孔处的压力变化剧烈，固体无法顺利被吸入。模型、延长了喉部出口膨胀段的长度，使得喉部出口的气流能够充分膨胀，形成充足的超音速气流，其负压区域一方面得到大幅度扩大，往下游气固出口处发展延续；另一方面，负压区域能够完全覆盖颗粒入口孔，这个特点就能够大幅度发挥出引射固体颗粒的作用。由图可见：在高颗粒注入流量下模型、均能正常工作，颗粒从引射管进入主流道逐渐加速至出口。而由图（）可见，颗粒进入吸入腔后沿吸入腔环状运动而后气固混合，这可能导致颗粒运输效率较慢，且可能造成一定的堵塞，进一步说明本文喷射器模型的可靠性。因模型和模型的结构无法适应颗粒流量较高的工作条件，较优结构参数将在模型、对比中选择。.喷射性能对比比较不同颗粒注入流量下的引射入口气体流量以及出口气体流量、颗粒出口速度、出口气体流速，结果如图、图所示。由图的颗粒轨迹分布图可见，新型模型在出口处速度差别不大，因此在比较颗粒出口速度时只比较其最大速度。第期苏永生 等：新型气固喷射器结构参数及性能研究图不同颗粒注入流量下引射入口及出口气体流量 图不同颗粒注入流量下出口颗粒及气体流速 由图可见，在个不同颗粒注入流量下，传统模型二次气体吸入量均低于新型引射器。在注入流量为工况下，模型、模型和模型二次气体吸入量相较传统模型分别提高了.、.、.倍，证明了新型引射器性能的可靠性。此外，由图可见，传统喷射器虽然出口颗粒速度较大。但在总长相等情况下，传统模型出口处速度分布不均，相差较大，且其出口气体速度低，难以保证清洗效果。在不同颗粒进口流量下，模型的出口颗粒速度、气体流速、引射入口气体流量和进出口气体流量均在模型与模型之间，可见模型的工作性能较稳定。模型出口直径增大，即出口与喉部的面积比增大，引射入口处负压作用更强。因此，其二次气体吸入量及出口流量在个模型中最大，但由于其出口直径较大，导致喷射出口气体流速和颗粒速度较小，在注入流量为 工况下，其出口颗粒速度相较于模型和模型分别下降了.、.，颗粒速度的降低可导致对壁面附着物破坏力度降低，使清洗效果下降。虽然模型喷射出口颗粒速度略大于模型，但从图中个新型引射器模型的引射入口及出口气体流量的比较可看出，模型的引射能力是最差的，在注入流量为工况下，其引射流量相较于模型和模型分别下降了.和.。这是因为模型的引射管相对于模型前移，其固体颗粒孔口开设在喉部出口即膨胀段内部，孔口流入的固体颗粒以及孔口缺口会破坏音速气流进一步膨胀降压，造成局部压力得不到有效下降，不利于颗粒的顺利引入。通过仿真，综合对比各个不同结构参数的喷射装置的颗粒轨迹分布、引射入口气体流量、出口气体流量、出口气体流速以及出口颗粒速度可找到模型的优化方向，即适当增加喷射装置喉部出口扩张段长度，使得喉部音速气流进一步膨胀加速为超音速气流，降低压力；固体颗粒入口孔开在紧邻膨胀段出口处，尽最大可能利用膨胀段出口负压引射固体颗粒；壁面固体颗粒入口孔开设在膨胀段壁面上，破坏膨胀段的超音速气流膨胀；喷射装置的出口孔直径不宜过大，减小其直径可适当增加固体颗粒和气体出口速度，提高清洁效果。由此可知，在相同条件下，模型的引射作用更可海军工程大学学报第 卷靠，其负压区域均匀，喷射出口颗粒速度较大，综合性能较好，能发挥较好的清洁效果。因此，在个模型中选用模型作为结构优化的最终结果。颗粒直径对喷射效果的影响对模型进行变工况模拟，当颗粒注入流量为、进气压力为 时，对不同颗粒直径（、）进行模拟，模拟结果如图、所示。图不同颗粒直径下引射入口气体流量 图不同颗粒直径下气体及颗粒出口速度 模拟结果显示，不同颗粒直径对应的喷射出口气体流速基本相同，而颗粒的最大出口速度随着颗粒直径的增大而降低。当颗粒的直径分别为、时，所对应的颗粒出口最高速度分别为 、。可见：颗粒直径越大，其在喷射装置内部的加速度越小，会导致出口速度降低，这显然不利于清洁效果。此外，颗粒直径越小，引射入口气体流量越小，即引射相同流量的颗粒，直径越小的颗粒消耗的动能越多。因此，在一定颗粒直径范围内，小颗粒直径虽然会降低引射能力，但会增强对壁面污染物的破坏，从而提升清洁效果。进气压力对喷射效果的影响在颗粒注入流量为、颗粒直径为 时，考察模型在进气压力分别为、时的喷射效果，结果如图、图 所示。图不同进气压力下引射入口气体流量 图 不同进气压力下气体及颗粒出口速度 由图、图 可见，在进气压力范围为.内，喷射器的出口气体流速差别不大，而颗粒最大速度随着进口压力的增大而增大。在进气压力为 左右，二次气体吸入量达到最高值，之后随着进气压力的升高二次气体吸入量下降。出现这种现象的主要原因是，进气压力的提高对引射能力的提升有一个上限，过高的进气压力虽然会使扩张段出口流速加快，但压力仍高于环境压力，产生不了负压作用，即过高的进气压力会使得喷射器内的负压区域减小，负压值变小甚至高于常压，不利于固体颗粒的顺利流入，大大地降低了引射效果。因此，对于模型，虽然进气压力越高，喷射出口的气体流速越大，颗粒速度也越大，但在进气压力高于.后，引射入口的气体流量越小，对应的引射颗粒流量也会减小，因此不能盲目增大进气压力。第期苏永生 等：新型气固喷射器结构参数及性能研究结论本文设计了一种结构简单、加工方便的新型气固喷射器，采用 对其进行数值计算及优化，得到以下结论。）相较于传统喷射器，新型气固喷射器一体化的结构大大降低了加工成本以及加工难度，且能最大程度避免固体通道的堵塞。）通过模拟数据找到了新型引射器优化方向。模型的引射作用最可靠，其喷射出口颗粒速度较大，能起到较好的清洁效果，且工作性能稳定，综合性能好。）颗粒直径越小二次气体吸入量越少，但颗粒出口速度会随着颗粒直径的减小而增大，对壁面上附着物的破坏强度随之越大。）对于模型，在一定工况下，进气压力为.时二次气体吸入量最大。颗粒出口速度会随着进气压力的增大而增大，但引射效果会在某一个进气压力下达到最好，并随之增大或减小而变差。参考文献（）：黄志超，涂林鹏，刘举平，等超声波清洗技术及设备研究进展 华东交通大学学报，（）：，（）：（）王冰川，张凯，王志国，等超音速气液混合清洗方案设计与参数优化 清洗世界，（）：，（）：（）郭新贺，王磊，景玉鹏 干冰微粒喷射清洗技术 微纳电子技术，（）：，（）：（），（）：，（）：巴德玛，李长青，李诗悦，等 基微晶粉喷射清理技术研究 机床与液压，（）：，（）：（）郭建，沈恒根，梁珍，等喷射器结构改进方法及其 分析 低温与超导，（）：，（）：（）刘福海，朱荣，董凯，等拉瓦尔喷管结构模式对超音速射 流 流 动 特 性 的 影 响 工 程 科 学 学 报，（增刊）：，（）：（）张海峰，余柄辰，田世伟气固喷射器收缩型喷嘴的仿真模拟及实验 煤炭技术，（）：，（）：（），（）：，（）：，（）：，（）：海军工程大学学报第 卷