飞机机用清洗气泡发生器性能研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（上）-93-工 业 技 术在使用过程中，飞机机身表面会沉积盐雾、灰尘和油污等外来物，需要进行定期清除工作。由于其工作场景的特殊性，进行清洗的同时需要避免伤害机身涂层，以保证飞机的运行安全。目前，国内以手工清洗和机械清洗这 2种传统方式为主。手工清洗劳动强度大、效率低。机械清洗效率较高，但难以覆盖复杂部位的污物，一些功能性涂层只能用手工擦拭，会使飞机涂层产生摩擦损伤，导致涂层本身具备的隐身功能失效，因此需要一种柔性、深度而非接触式的技术来对飞机进行高效清洗。微纳米气泡清洗是一种新型飞机机身清洁技术，由于小尺寸，与普通气泡相比具有不同的物化特性，包括水下停留时间较长、比表面积大、表面负电荷以及气泡坍缩时会生成自由基1。通过文丘里管式结构进行含有微纳米气泡的气液两相射流的冲洗，可以有效清洗飞机机身的沉积污垢2。该气泡本身具有柔性，在提高清洗效率的同时也可有效避免破坏机身涂层。本文根据文丘里管式微气泡发生器的结构构造，对不同的结构参数进行了有限元模拟，以此来指导适用于机身的清洁微气泡发生器的设计。1 数值计算1.1 气泡发生器局部几何模型文丘里管气泡发生器的主要特征是管道水流方向上的管径先缩小、再扩大，形成了特殊的喉管结构。根据连续性原理，喉部的管径缩小，水流速增加，形成局部负压，而在喉部之后，液体的流速会下降，流体的压力会增加。该气泡发生器模型由进/出水管段、收缩段、喉管段、发散段以及进气口组成，整个计算流域如图 1 所示。其中固定进、出水管段管径相同，均为 15mm，进气口位于文丘里管喉管段，其余参数由不同设计参数共同决定，包括收缩角、发散角、喉管管径和喉管长度。建立的坐标系如图1 所示。1.2 模型网格划分和无关性验证采用 Fluent 数值模拟软件中的前处理模块 SpaceClaim建立流域结构并模型网格进行划分。网格划分采用Workbench 中的 ICEM 模块，本文只需要对趋势进行考察，而不需要精确的计算结果，因此采用二维模拟以节省时间和计算资源，整体划分如图 2 所示，划分形式为二维结构化网格。对边界层和管径变化大的流域进行网格加密，建立 50 万和 400 万数量的结构化网格，对 50 万和 400 万网格进行网格无关性验证，并计算 2 种网格数量方案，得到湍流流场的压力计算结果。结果表明，网格数量与 X 轴方向上的压力计算结果差距较小。因此，为了节省计算量，采用 50 万数量的网格进行计算。1.3 数值计算方法和边界条件设置本文是包括边界的管道内的数值模拟，采用优化的壁模型大涡模拟（WMLES S-OMEGA）进行计算3，湍流模型选用 SST k-湍流模型4。文丘里管微气泡发生装置数值模拟满足以下控制方程。飞机机用清洗气泡发生器性能研究刘欢1安刚2邓阳俊1陆晨曦2张伯年2李攀3（1.上海航翼高新技术发展研究院有限公司，上海 200000；2.国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241000；3.同济大学，上海 200000）摘 要：该文基于 Fluent 数值模拟建立了文丘里管式微气泡发生器内部流场二维仿真模型，研究了设计参数对气泡破碎性能的影响特性和相对重要性，辅助优化气泡发生器结构，为后续适用于飞机机身清洗粒径和浓度分布的气泡研究提供理论基础。模拟结果表明，收缩角和喉管长度对轴向压力分布影响较小，而喉管直径和扩张角度对文丘里管扩张段的流场分布、气液分离效果影响显著，通过比较压力损失系数，最终判断喉管直径和扩张角度是影响清洗气泡破碎效果的主要因素。关键词：材料表面与界面；微纳米气泡；文丘里管；数值模拟；设计参数；飞机表面清洗中图分类号：TG17文献标志码：A注：O为喉部中心；X轴方向为文丘里管轴向；Y轴方向为径向；为收缩角；为发散角；d为喉部管径；D为文丘里管径。图 1 机用清洗气泡发生器结构示意图DLXYOd中国新技术新产品2024 NO.4（上）-94-工 业 技 术首先，大涡模拟的控制方程是将不可压 N-S 方程滤波后得到的，分别如公式（1）、公式（2）所示。?uxii0 （1）?utuuxuxvxuxTxijijijjijijj1?（2）式中：为流体密度，kg/m3；P 为滤波后的压强，Pa；ui为滤波后 xi方向的速度分量，m/s；Tij为亚格子应力张量。其次，SSTk-模型模拟了文丘里曝气器内流体的湍流流动。湍流动能 k 如公式（3）所示，湍流耗散率 如公式（4）所示。?kt?ukxxkxuxuxjijtkjtijji()?（3）?tukjxxxCuxijtjtij1(u uxCCji)?222?kkt （4）式中：k 为平均速度梯度引起的湍流动能；ui和uj为 i 和 j 方向的平均速度；t为湍流黏度；k为湍流动能的普朗特系数；为湍流耗散率；为湍流耗散率的普朗特系数。该式为半经验模型，模型方程中包括经验参数，其中C1=1.44，C2=1.92，C=0.09。根据流体试验数据设置初始流场参数，即材料设置为水，密度为 998.2kg/m3，黏度为 1.00310-3Pas。压力边界条件由文丘里管前端压力表测得，设置压力入口为 150kPa。为了能够更直观地表现压力场的变化，压力出口被设为 0Pa，回流压力规范为静压。质量流量出口设置为 0.0583kg/s，由体积流量计给出并换算。使用COUPLED压力速度耦合算法，将空间离散化设置梯度为 Green-Gauss Node Based，压力插值方法为 PRESTO。动量、湍流动能和湍流耗散率设置为二阶迎风格式，并开启 Warped-Face 梯度矫正，使用伪瞬态模拟。将时间比例因子设为 0.1，推荐值 0.3。使用混合初始化，并将残差 110-4作为收敛标准。为避免喉部直径不同进而导致喉部流速不同，通过连续性方程和入口、喉管的截面积计算出入口的流速，统一将喉部流速设为 15m/s5。2 结果与分析2.1 模拟结果与验证入口压力是影响文丘里管微气泡发生器内部气泡破碎性能的一个重要因素。将气体流量固定在 40mL/min，出口压力固定为 80kPa，对不同入口压力进行数值模拟。从喉管中心处开始，选取在文丘里管内不同部分的气泡进行受力分析计算，不同 x 轴处气泡所受压力梯度力和剪切应力如图 3所示。在出口压力保持不变的情况下，随着入口压力增加，气泡所受压力梯度力和剪切阻力将会增加，这会导致气泡尺寸变小，浓度数量增多。结合高速摄像机试验，验证上述入口压力影响下的气泡粒径分布变化趋势，采用POWEREACH的JXWNP-WJS-1型水下在线微米气泡实时动态观测系统测量微米气泡的气泡粒径。为了研究纯气体而非文丘里管自身空化效应产生的微米气泡，将文丘里管出口压力调整到 40kPa 以上，使喉部压力值高于大气压力，使水中溶解的气体不能从水中析出，避免喉管部空化效应对试验结果的影响。使用气泵向吸气管中通入空气来产生微米气泡。不同入口压力条件下的粒径分布结果如图 4 所示。随着入口压力从 150kPa 增至 400kPa，气泡的平均直径从 61.46m 减至 51.36m。从图 4（a）上来看，在出口压力不变的情况下，入口压力越大，气泡概率密度分布向小粒径方向偏移，小气泡的频数趋向于增加，大气泡的频数趋向于减少。从图 4（b）可以看出，随着压力从 150kPa增至 400kPa，气泡的 D50 直径从 54.80m 减至 45.90m，压力越高，累计分布越快到达 100%，说明气泡直径趋向于变小。计算气泡浓度，见表 1。进气流量不变时，随着入口压力增加，水流量会增加，气泡数量增多，与不同入口压力下的数值模拟气泡受力分析的结果具有一致性。表 1 不同入口压力下的气泡浓度入口压力（kPa）流量（L/min）个/cm21503.71122004.91653006.71204008.12212.2 不同尺寸设计参数下的仿真模拟分析文丘里管式气泡发生器在不同的几何设计参数条件下生成的微米气泡粒径分布与个数浓度具有明显不同，这些几何参数包括收缩角度、喉部长度、扩张角度以及喉部直径。如图 5 所示，本文设置了 16 个工况，对每个参数 4 种变化来进行模拟。由于气泡破裂主要发生在喉管段和后段扩散部分，局部负压在一定程度上决定了微气泡的发生效果，因此对不同因素变化下的压力沿 x 轴方向的变化场进行分析6。图 5（a）展示了不同喉部直径下流场的压力分布图。随着喉管直径缩小，入口端所需的压力急剧上升，喉管直径越小，逆压力梯度就越大。该结果表明直径比的变化能显著影响流场分布，尤其是扩张段内的流场，该段区域是气泡破裂主要的发生地。图 5（b）为不同扩张角下流场的压力分布图。随着扩张角增大，达到同一流速所需的入口压力显著提高。在扩张段，水流先以射流的形式流出喉部，然后逐渐扩大，逆流充满整个扩张段。射流与回流接触的部分会产生较大的涡旋，图 2 网格及其剖面图中国新技术新产品2024 NO.4（上）-95-工 业 技 术图 4 不同入口压力时气泡的粒径分布00020251015200200250250PDF（%）D（a）（m）D（a）（m）CDF（%）10010010015015050505500注：横坐标为气泡测得的粒径值；纵坐标为该粒径的气泡数量占气泡总数量的百分比。（a）概率密度分布 注：横坐标为气泡测得的粒径值；纵坐标为低于该粒径的气泡占气泡总数量的百分比。（b）累计分布函数图 3 不同入口压力时气泡在流场中的受力（喉部中心位置 x=0）（c）x=0 处，随 y 变化的剪切阻力（d）x=0 处，随 y 变化的压力梯度力x=5，y（mm）x=5，y（mm）剪切阻力（N）压力梯度力（N）喉管喉管（b）y=0 处，随 x 变化的压力压力梯度力（N）压力（Pa）y=0，x（mm）y=0，x（mm）喉管喉管注：图为y0处，随x变化的压力梯度力。压力横轴代表研究位置的坐标。（a）y=0 处，随 x 变化的压力梯度力中国新技术新产品2024 NO.4（上）-96-工 业 技 术导致能量耗散和压力损失增加。随着扩张角度增大，分离现象越明显。在流量一定的情况下，喉管处的负压随角度的增大而降低。因此扩张角对气泡破碎具有决定性的影响。图 5（c）展示了不同喉管长度下流场的压力分布图。随着喉管长度增加，进口端的压力也增加，这是为了克服喉部长度增加所产生的额外水头。喉部长度越短，产生的负压越大。原因是收缩段与喉管入口交界处会产生涡旋，形成的负压影响范围随喉管长度的缩短而扩大。但从整体来看，喉管长度变化对流场影响不大。图 5（d）为不同收缩角下流场的压力分布图。随着收缩角度增加，达到喉部同一速度所需的入口压力增加，这是为了克服收缩段的水头损失。但从总体来看，收缩角对流场的差异影响变化不大。压力损失系数如公式（5）所示。212inoutcthPPLv=（5）压力损失系数定义为整体压力损失与压力能在喉部转化为动能的比值，可通过公式（5）计算。公式（5）判断发生装置用来克服水头损失所消耗的压力能，其余部分压能被转化为喉部的动能。比值越低，说明转化为动能的效率越高，压力损失越小。采用压力损失系数对不同尺寸设计参数下喉管部的能量转换进行分析，以判断几何参数对气泡产生影响的相对重要性。不同尺寸设计参数下的压力损失系数如图6所示。在图6 中，将 4 个变量的最小值设为 1，其他参数转化为最小值的倍数。可以发现，随着收缩角度增加、喉管直径变小、喉管长度增加和扩张角度增加，压力损失系数逐渐升高。从斜图 6 不同尺寸下文丘里管的压力损失系数参数比例压力损失系数图 5 不同文丘里结构下压力场的变化中心轴坐标（mm）中心轴坐标（mm）相对压力（Pa）相对压力（Pa）相对压力（Pa）相对压力（Pa）中心轴坐标（mm）中心轴坐标（mm）（a）管径比（b）扩张角（c）喉管长度（d）收缩角D/dD/dD/dD/d105105105105中国新技术新产品2024 NO.4（上）-97-工 程 技 术激光扫描是一种测量技术，可以根据所用扫描仪的类型和技术特性，以点云的形式快速、合理准确地重现物体的 3D表面1。该技术目前应用于各领域，包括遗产文献，地质，监测技术，变形分析和尺寸控制等2。目前，因为激光扫描技术能快速扫描隧道并提供挖掘几何形状的 3D 模型，所以在地下开挖中应用广泛，这种模型的用途包括监测工程进度、监测变形等3。尽管越来越多的公司使用 TLS 进行几何隧道验证，但为了降低使用成本，通常通过提高扫描视野来进行扫描工作4。当采集数据时，除了扫描视野距离外，其他影响测量精度的因素会被忽略，例如入射角、扫描密度和隧道本身的几何形状等5-6。本文通过研究扫描仪的位置、入射角、扫描密度等因素对圆形横截面隧道几何测量的影响，提出一种使用激光扫描优化隧道扫描任务的数据采集方法。1 方法论1.1 位置方程图1为圆形隧道的理论横截面以及坐标系。激光扫描仪在地面上的高度和与隧道横截面中心的距离是影响扫描结果的两个参数，因此考虑激光扫描仪高度 h 和与隧道中心的距离 t。由用户定义激光扫描仪测量水平（H）和垂直（V）角度、到隧道壁上每个点的距离（r）、角间隔 H 和 V。隧道圆柱体的坐标系可视为中心位于圆柱体轴线上的坐标系，如公式（1）所示。x2+z2=R2 （1）x 和 z 坐标与激光器的位置与公式（2）公式（4）的观测值相关。x=t+dsinH （2）z=h+rcosV （3）d=rsinV （4）式中：d 为距离 r 在水平面上的投影。将公式（4）代入公式（2），得到公式（5）。x=t+rsinVsinH （5）将公式（5）和公式（3）代入公式（1）中，得到公式（6）。t2+r2sin2Vsin2H+2trsinVsinH+h2+r2+cos2V+2hrcosV=R2 （6）基于三维激光扫描仪的圆形横截面隧道测量规划席泽焕（甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）摘 要：为解决圆形横截面隧道几何形状的测量和规划问题，本文提出一种扫描圆形截面隧道的方法。该方法不但考虑了影响扫描质量的几个因素（隧道尺寸、扫描密度、扫描步长、入射角和扫描仪位置），并且可以最大化扫描距离和角度采样间隔，从而在最短工作时间内达到一定的测量精度。通过在实际隧道中进行扫描测量，证明了所提方法的有效性。关键词：激光扫描；圆形截面；隧道；测量规划中图分类号：P642文献标志码：A率的变化趋势可以看出，喉管直径与扩张角对压力损失系数的影响变化最大。这表明喉管直径与扩张角对文丘里管内流场的影响较显著。3 结论采用高速摄像机并结合图像后处理技术计算气泡粒径分布，在气体流量为 40mL/min、出口压力为 80kPa 的不同入口压力工艺参数下，拍摄计算所得粒径分布变化与模拟受力分析结果一致，模型可用于指导不同设计参数下的气泡破碎数值分析。4种不同设计参数对机用清洗气泡发生器的性能影响存在差异。其中不同收缩角和喉管长度对入口压力影响不大，而喉管直径越小，扩张角度越大，入口压力也会越大，具有更好的气泡破碎效果。喉管直径与扩张角对压力损失系数影响效果显著，表明通过改变喉管直径和扩张角的大小，可有效改变文丘里管内部流场分布结构，从而优化内部涡流对气泡的剪切作用。参考文献1 胡钧.微纳米气泡领域的春天已悄悄来临 J.净水技术，2021，40（2）：1.2 颜攀，黄正梁，王靖岱，等.文丘里气泡发生器的气泡尺寸及分布 J.浙江大学学报（工学版），2017，51（10）：2070-2076.3 张涛，朱晓军，彭飞，等.近壁面处理对湍流数值计算的影响分析 J.海军工程大学学报，2013，25（6）：104-108.4 陈永辉，王强，朴明波.湍流模型的发展及其研究现状 J.能源与环境，2009，93（2）：4-6，21.5 陶文铨.数值传热学 M.西安：西安交通大学出版社，2001.6 邵梓一，张海燕，孙立成，等.文丘里式气泡发生器内气泡破碎机制分析 J.化工学报，2018，69（6）：2439-2445.