鄧曉剛，李 云，張賢明

(1. 重慶工商大學(xué) 廢油資源化技術(shù)與裝備工程中心，重慶 400067)(2. 重慶科技學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 401331)

氣溶性射流對(duì)鋼板污垢清洗的應(yīng)用研究

鄧曉剛1,2，李 云2，張賢明1

(1. 重慶工商大學(xué) 廢油資源化技術(shù)與裝備工程中心，重慶 400067)(2. 重慶科技學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 401331)

為了獲得更好的清洗效果和節(jié)能環(huán)保，提出了一種新型的射流方式——?dú)馊苄陨淞??；诹黧w力學(xué)和氣溶性射流的工作原理，根據(jù)氣溶性射流的特性和噴嘴的幾何特征，研究了氣液相的流動(dòng)特性方程，得到了氣溶性射流的速度分布規(guī)律。利用自行設(shè)計(jì)的超音速?lài)娮旖M裝的帶電氣溶性射流實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)鋼板進(jìn)行清洗，經(jīng)簡(jiǎn)易檢測(cè)表明：氣溶性射流噴嘴產(chǎn)生的超音速極大地提高了洗滌效率，與同流量的噴嘴相比，效率提高近10倍，具有廣泛的應(yīng)用前景。

氣溶性;射流;兩相流;超音速?lài)娮?清洗

1 氣溶性射流的工作原理

如圖1所示，水以一定的壓力進(jìn)入到水管3中，壓縮空氣(0.2～0.5MPa)從進(jìn)氣管4進(jìn)入，水管的前端部是一個(gè)流線型擋板1，在水管的壁面上均勻分布有若干個(gè)針狀小孔2，它使壓力水通過(guò)小孔形成霧化射流，在空氣剪切力的作用下被破碎成微小水滴，形成氣溶性射流。充分混合的氣溶性射流進(jìn)入到噴嘴喉部斷面處，其壓力達(dá)到臨界壓力，此時(shí)氣溶性射流速度也達(dá)到臨界速度(音速)。在噴嘴的擴(kuò)張段，氣溶性射流速度逐漸增加，而壓力卻逐漸降低。當(dāng)氣溶性射流到達(dá)噴嘴出口截面時(shí)，氣流速度達(dá)到超音速，流出噴嘴后氣溶性射流將會(huì)繼續(xù)膨脹，這樣就有較大的散射面積，可以對(duì)物體表面尤其是金屬表面的污垢進(jìn)行清洗。依據(jù)超音速?lài)娮斓慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文選取拉閥爾噴嘴作為氣溶性射流的工作噴嘴[5-6]。

1—流線型擋板;2—針狀小孔;3—水管;4—進(jìn)氣管;5—超音速?lài)娮?/p>

2 超音速?lài)娮斓脑O(shè)計(jì)

2.1噴嘴設(shè)計(jì)的氣體動(dòng)力學(xué)原理

氣溶性水氣混合物之所以能在噴管中流動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)將壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的過(guò)程是由于噴管進(jìn)出口的壓力差造成的[7-8]。為了研究沿噴管流動(dòng)參數(shù)的變化，假定噴管每一橫截面上流動(dòng)參數(shù)均勻，根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理及質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律，其流動(dòng)規(guī)律可用以下微分形式的基本方程組來(lái)描述：

(1)

式中：ρ為氣流密度；V為氣流速度；A為截面面積；P為氣流壓力；K為絕熱指數(shù)；M為馬赫數(shù)；T為氣流絕對(duì)溫度。

根據(jù)流體力學(xué)原理，從式(1)可以看出：氣體在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，單位時(shí)間內(nèi)氣體經(jīng)過(guò)噴嘴的每一個(gè)截面的氣體質(zhì)量均相等。因此在通常的情況下，低流速(高壓強(qiáng))噴嘴應(yīng)當(dāng)具有大的截面面積，而高流速(低壓強(qiáng))噴嘴應(yīng)有小的截面面積，所以噴嘴喉部前面部分由大到小逐漸收縮，氣流速度逐漸加大，當(dāng)氣流到達(dá)噴嘴截面最小處(喉部)時(shí)，氣流速度達(dá)到臨界速度即音速，此時(shí)氣流壓力約為噴嘴進(jìn)口處壓力的1/2。為了使噴嘴出口處的壓力繼續(xù)低于喉部的壓力，必須在噴嘴臨界面以后再加一段漸擴(kuò)段，這樣可以在噴嘴出口處獲得比音速還要快的流速即超音速，并在該處建立低壓區(qū)域。

2.2拉閥爾噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拉閥爾(LAVAL)噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，通常噴嘴混合室的入口直徑d1可根據(jù)工作水管的直徑來(lái)確定。收縮段L1的作用是加速氣流，同時(shí)保證收縮段的出口氣流平均、平直并且穩(wěn)定。LAVAL噴嘴的收縮段主要由入口半徑、喉部半徑和收縮長(zhǎng)度限定, 收縮段的半錐角α1通常取30°。喉部L0是氣流速度從亞音速加快到超音速的過(guò)渡段，這一段在整個(gè)噴嘴的設(shè)計(jì)中比較重要，不能變化得太快，通常選用一段圓弧作為過(guò)渡曲線。理論上講，只要喉部上游和下游的截面積變化足夠平緩，喉部的長(zhǎng)度可以為0，但是這樣的噴頭難以制作。為了方便收縮段與擴(kuò)張段的加工，喉部應(yīng)有一定的長(zhǎng)度，一般喉部長(zhǎng)度不超過(guò)喉部的直徑d0。超音速擴(kuò)張段L2是整個(gè)噴嘴設(shè)計(jì)中比較關(guān)鍵的一部分，也是噴嘴設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的一個(gè)區(qū)段。擴(kuò)張段半錐角α2一般為5°左右，如果擴(kuò)張角太大，在噴嘴出口處產(chǎn)生的激波比較嚴(yán)重，射流擴(kuò)張比較快；擴(kuò)張角太小，氣流通道過(guò)長(zhǎng)，壓力損失較大。因此，從喉部到擴(kuò)張段的過(guò)渡應(yīng)該非常光滑和平緩。從喉部到噴嘴端面超音速的擴(kuò)張段，通常采用特征線法進(jìn)行設(shè)計(jì)，它能使氣流在噴嘴出口直徑d2處獲得超音速。

圖2 LAVAL噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

3 氣溶性射流的實(shí)驗(yàn)研究

在理論研究的基礎(chǔ)上，搭建了氣溶性射流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)氣溶性射流去除污垢效果進(jìn)行了測(cè)試?？諝鈮毫S持在0.2MPa以上，以保證噴嘴出口速度達(dá)到超音速。使用超音速氣溶性射流沖刷污染面，射距參數(shù)定為0.7m，觀測(cè)氣溶性射流對(duì)油/污垢的清洗效果。當(dāng)氣溶性射流的速度足夠高時(shí)，射流斷面的散射部分可以忽略不計(jì)，則近似認(rèn)為氣溶性射流的橫截面積等于清洗面積。

在氣溶性射流噴嘴上加上高壓直流電場(chǎng)(電壓為6 kV)，如圖3所示，則氣溶性液流粒子帶電，形成帶電的氣溶性射流。在開(kāi)始瞬間，液流粒子(水滴)沉積在聚集有殘留電荷的污垢弱導(dǎo)電層上，電動(dòng)勢(shì)的方向指向被清洗的物體，從而增加了被洗滌油污的附著性能。當(dāng)極性相反的荷電液流粒子落在污垢上時(shí)，將使油/污垢失去電荷而成中性，進(jìn)而使蓄積的體積電荷與液流粒子的電荷極性相同，電場(chǎng)力的作用方向發(fā)生改變，從而迫使油污和垢層脫離金屬面，達(dá)到去污的目的。當(dāng)射流打擊在污物表面時(shí)，親油基插入油滴中，而把親水基留在油滴的外部，將油分散為微小的粒子，粒子的外面被一層親水基包圍，從而將不溶于水的油滴分散在水中，達(dá)到較好的清洗效果。當(dāng)液流粒子帶有電荷時(shí)，在表面活性劑、電荷、射流的沖刷和洗滌等的聯(lián)合作用下，也可達(dá)到去除油污和污垢的目的。

1—流線體檔板;2—電極(陽(yáng)極);3—針狀小孔;4—壓力水管;

本氣溶性射流裝置對(duì)一鋼板(鋼板上涂以黃油、機(jī)油等不同類(lèi)型和不同厚度的油)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)洗滌液的濃度、洗滌液的流量、清洗時(shí)間、荷電裝置的電壓大小等進(jìn)行的正交實(shí)驗(yàn)表明：采用帶電氣溶性射流后(為使液流帶電，需在水中加入少量鈉鹽)，洗滌效率大大提高，與常規(guī)的清洗射流(加有表面活性劑)相比，由于氣溶性射流的噴嘴內(nèi)徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水噴嘴，清洗面積大大增加，與同流量的水噴嘴相比，效率可提高近10倍，清洗質(zhì)量滿(mǎn)足了用戶(hù)的要求。在某些不允許使用高壓電源的場(chǎng)合，本裝置也可不加載高壓電場(chǎng)，但清洗效果大約下降三分之一左右。

4 結(jié)論

a.本文利用拉閥爾噴嘴的收縮段、喉部和超音速擴(kuò)張段的特殊結(jié)構(gòu)及形狀獲得超音速氣流來(lái)提高氣溶性射流的效率，達(dá)到清洗污垢的目的，極大地節(jié)約了能源，保護(hù)了環(huán)境。

b.基于氣溶性射流的特性和噴嘴的幾何特征，研究了氣液相的流動(dòng)方程，得到了氣溶性射流的流速分布規(guī)律。

c.利用拉閥爾噴嘴自行設(shè)計(jì)組裝的帶電氣溶性射流實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)鋼板進(jìn)行清洗，檢測(cè)結(jié)果表明：與常規(guī)的清洗射流相比，效率可提高近10倍，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] Liao Zhenfang, Zhang Shijin, Deng Xiaogang. The electro-aerosol jet cleaning the grease and impurity on the metal surface[J]. WJTA American Waterjet Conference, 2001(8):18-21.

[2] Каримов В Т, Шагαпов В Ш. Истечение газированной жиккости через сопло[J]. Прикладная Механика И Техническая Физика, 1994, 206(4):91-99.

[3] Ивашнев О Е, Сопленков К Н. Природа волн разрежения, возникающих при истечении вскипающей жидкости[J]. МЖГ, 1991(3):24-27.

[4] Vanierschot M， Van den Bulck，Eric. Experimental study of low precessing frequencies in the wake of a turbulent annular jet[J].Experiments in Fluids， 2011.50(1)：189-200.

[5] Kuo J T, Wallis G B. Flow of bubbles through nozzles[J]. International Journal of Multiphase Flow, 1988, 14(5):547-564.

[6] Bailey A B. Sphere drag coefficient for subsonic speeds in continuum and free 2 model flows[J] . Journal of Fluid Mechanics, 1974, 65(2):401-410.

[7] Peng Yichuan, Han Ting. Gas-Particle flow in a LAVAL nozzle with curved convergent configuration[J]. ISIJ INTERNATIONAL, 1996, 36 (3):263-265.

[8] Yang Weixing, Gunter H S. Numerical simulation of two-phase flow in injection nozzles：interaction of formation[J]. Journal of Fluid Engineering, 2003, 125(11):963-969.

ResearchontheAerosolJetApplicationintheSteelPlateDirtCleaning

DENG Xiaogang1,2, LI Yun2, ZHANG Xianming1

(1.Chongqing Technology and Business University, Chongqing, 400067, China)(2 Chongqing University of Science and Technology, Chongqing, 401331, China)

In order to attain the better effects of clearing such as energy saving and environmental protection, it describes a new aerosol jet technique. Based on hydrodynamics and the working principle of aerosol jet, it analyzes the flow equation of gas phase and liquid phase, and obtains the regular distribution of flow velocity according to the vapors and the geometry characteristic of nozzle. It designs the supersonic nozzle, and assembles this nozzle for the experiment of electro-aerosol jet. The steel clearing test results show that the supersonic speed generated by the nozzle of aerosol jet can improve the washing efficiency greatly, almost increase efficiency ten times than other nozzles of the same flow, and have an extensive applying prospect.

Aerosol; Jet; Two-phase Flow; Supersonic Nozzle; Clearing

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.02.015

2013-12-27

重慶市科委自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(cstc2011jjA20013)；重慶市博士后科研項(xiàng)目特別資助(XM2012032)

鄧曉剛(1975—)，男，四川德陽(yáng)人，重慶科技學(xué)院副教授，主要從事射流理論及應(yīng)用的研究。

TP69；TG178

A

2095-509X(2014)02-0067-03