摘 要：該文基于Fluent數(shù)值模擬建立了文丘里管式微氣泡發(fā)生器內(nèi)部流場二維仿真模型，研究了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)氣泡破碎性能的影響特性和相對(duì)重要性，輔助優(yōu)化氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)，為后續(xù)適用于飛機(jī)機(jī)身清洗粒徑和濃度分布的氣泡研究提供理論基礎(chǔ)。模擬結(jié)果表明，收縮角和喉管長度對(duì)軸向壓力分布影響較小，而喉管直徑和擴(kuò)張角度對(duì)文丘里管擴(kuò)張段的流場分布、氣液分離效果影響顯著，通過比較壓力損失系數(shù)，最終判斷喉管直徑和擴(kuò)張角度是影響清洗氣泡破碎效果的主要因素。

關(guān)鍵詞：材料表面與界面；微納米氣泡；文丘里管；數(shù)值模擬；設(shè)計(jì)參數(shù)；飛機(jī)表面清洗

中圖分類號(hào)：TG 17" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在使用過程中，飛機(jī)機(jī)身表面會(huì)沉積鹽霧、灰塵和油污等外來物，需要進(jìn)行定期清除工作。由于其工作場景的特殊性，進(jìn)行清洗的同時(shí)需要避免傷害機(jī)身涂層，以保證飛機(jī)的運(yùn)行安全。目前，國內(nèi)以手工清洗和機(jī)械清洗這2種傳統(tǒng)方式為主。手工清洗勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。機(jī)械清洗效率較高，但難以覆蓋復(fù)雜部位的污物，一些功能性涂層只能用手工擦拭，會(huì)使飛機(jī)涂層產(chǎn)生摩擦損傷，導(dǎo)致涂層本身具備的隱身功能失效，因此需要一種柔性、深度而非接觸式的技術(shù)來對(duì)飛機(jī)進(jìn)行高效清洗。

微納米氣泡清洗是一種新型飛機(jī)機(jī)身清潔技術(shù)，由于小尺寸，與普通氣泡相比具有不同的物化特性，包括水下停留時(shí)間較長、比表面積大、表面負(fù)電荷以及氣泡坍縮時(shí)會(huì)生成自由基[1]。通過文丘里管式結(jié)構(gòu)進(jìn)行含有微納米氣泡的氣液兩相射流的沖洗，可以有效清洗飛機(jī)機(jī)身的沉積污垢[2]。該氣泡本身具有柔性，在提高清洗效率的同時(shí)也可有效避免破壞機(jī)身涂層。本文根據(jù)文丘里管式微氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，對(duì)不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了有限元模擬，以此來指導(dǎo)適用于機(jī)身的清潔微氣泡發(fā)生器的設(shè)計(jì)。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 氣泡發(fā)生器局部幾何模型

文丘里管氣泡發(fā)生器的主要特征是管道水流方向上的管徑先縮小、再擴(kuò)大，形成了特殊的喉管結(jié)構(gòu)。根據(jù)連續(xù)性原理，喉部的管徑縮小，水流速增加，形成局部負(fù)壓，而在喉部之后，液體的流速會(huì)下降，流體的壓力會(huì)增加。該氣泡發(fā)生器模型由進(jìn)/出水管段、收縮段、喉管段、發(fā)散段以及進(jìn)氣口組成，整個(gè)計(jì)算流域如圖1所示。其中固定進(jìn)、出水管段管徑相同，均為15mm，進(jìn)氣口位于文丘里管喉管段，其余參數(shù)由不同設(shè)計(jì)參數(shù)共同決定，包括收縮角、發(fā)散角、喉管管徑和喉管長度。建立的坐標(biāo)系如圖1所示。

1.2 模型網(wǎng)格劃分和無關(guān)性驗(yàn)證

采用Fluent數(shù)值模擬軟件中的前處理模塊SpaceClaim建立流域結(jié)構(gòu)并模型網(wǎng)格進(jìn)行劃分。網(wǎng)格劃分采用Workbench中的ICEM模塊，本文只需要對(duì)趨勢進(jìn)行考察，而不需要精確的計(jì)算結(jié)果，因此采用二維模擬以節(jié)省時(shí)間和計(jì)算資源，整體劃分如圖2所示，劃分形式為二維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)邊界層和管徑變化大的流域進(jìn)行網(wǎng)格加密，建立50萬和400萬數(shù)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)50萬和400萬網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，并計(jì)算2種網(wǎng)格數(shù)量方案，得到湍流流場的壓力計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)量與X軸方向上的壓力計(jì)算結(jié)果差距較小。因此，為了節(jié)省計(jì)算量，采用50萬數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

1.3 數(shù)值計(jì)算方法和邊界條件設(shè)置

本文是包括邊界的管道內(nèi)的數(shù)值模擬，采用優(yōu)化的壁模型大渦模擬（WMLES S-OMEGA）進(jìn)行計(jì)算[3]，湍流模型選用SST k-ω湍流模型[4]。文丘里管微氣泡發(fā)生裝置數(shù)值模擬滿足以下控制方程。

首先，大渦模擬的控制方程是將不可壓N-S方程濾波后得到的，分別如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

（2）

式中：ρ為流體密度，kg/m3；P為濾波后的壓強(qiáng)，Pa；ui為濾波后xi方向的速度分量，m/s；Tij為亞格子應(yīng)力張量。

其次，SSTk-ω模型模擬了文丘里曝氣器內(nèi)流體的湍流流動(dòng)。湍流動(dòng)能k如公式（3）所示，湍流耗散率ε如公式（4）所示。

（3）

（4）

式中：k為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能；和為i和j方向的平均速度；μt為湍流黏度；σk為湍流動(dòng)能的普朗特系數(shù)；ε為湍流耗散率；σε為湍流耗散率的普朗特系數(shù)。

該式為半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模型方程中包括?jīng)驗(yàn)參數(shù)，其中C1=1.44，C2=1.92，Cμ=0.09。

根據(jù)流體試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置初始流場參數(shù)，即材料設(shè)置為水，密度為998.2kg/m3，黏度為1.003×10-3Pa·s。壓力邊界條件由文丘里管前端壓力表測得，設(shè)置壓力入口為150kPa。為了能夠更直觀地表現(xiàn)壓力場的變化，壓力出口被設(shè)為0Pa，回流壓力規(guī)范為靜壓。質(zhì)量流量出口設(shè)置為0.0583kg/s，由體積流量計(jì)給出并換算。使用COUPLED壓力速度耦合算法，將空間離散化設(shè)置梯度為Green-Gauss Node Based，壓力插值方法為PRESTO。動(dòng)量、湍流動(dòng)能和湍流耗散率設(shè)置為二階迎風(fēng)格式，并開啟Warped-Face梯度矯正，使用偽瞬態(tài)模擬。將時(shí)間比例因子設(shè)為0.1，推薦值＜0.3。使用混合初始化，并將殘差＜1×10-4作為收斂標(biāo)準(zhǔn)。為避免喉部直徑不同進(jìn)而導(dǎo)致喉部流速不同，通過連續(xù)性方程和入口、喉管的截面積計(jì)算出入口的流速，統(tǒng)一將喉部流速設(shè)為15m/s[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬結(jié)果與驗(yàn)證

入口壓力是影響文丘里管微氣泡發(fā)生器內(nèi)部氣泡破碎性能的一個(gè)重要因素。將氣體流量固定在40mL/min，出口壓力固定為80kPa，對(duì)不同入口壓力進(jìn)行數(shù)值模擬。從喉管中心處開始，選取在文丘里管內(nèi)不同部分的氣泡進(jìn)行受力分析計(jì)算，不同x軸處氣泡所受壓力梯度力和剪切應(yīng)力如圖3所示。在出口壓力保持不變的情況下，隨著入口壓力增加，氣泡所受壓力梯度力和剪切阻力將會(huì)增加，這會(huì)導(dǎo)致氣泡尺寸變小，濃度數(shù)量增多。

結(jié)合高速攝像機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證上述入口壓力影響下的氣泡粒徑分布變化趨勢，采用POWEREACH的JXWNP-WJS-1型水下在線微米氣泡實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測系統(tǒng)測量微米氣泡的氣泡粒徑。為了研究純氣體而非文丘里管自身空化效應(yīng)產(chǎn)生的微米氣泡，將文丘里管出口壓力調(diào)整到40kPa以上，使喉部壓力值高于大氣壓力，使水中溶解的氣體不能從水中析出，避免喉管部空化效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。使用氣泵向吸氣管中通入空氣來產(chǎn)生微米氣泡。不同入口壓力條件下的粒徑分布結(jié)果如圖4所示。隨著入口壓力從150kPa增至400kPa，氣泡的平均直徑從61.46μm減至51.36μm。從圖4（a）上來看，在出口壓力不變的情況下，入口壓力越大，氣泡概率密度分布向小粒徑方向偏移，小氣泡的頻數(shù)趨向于增加，大氣泡的頻數(shù)趨向于減少。從圖4（b）可以看出，隨著壓力從150kPa增至400kPa，氣泡的D50直徑從54.80μm減至45.90μm，壓力越高，累計(jì)分布越快到達(dá)100%，說明氣泡直徑趨向于變小。計(jì)算氣泡濃度，見表1。進(jìn)氣流量不變時(shí)，隨著入口壓力增加，水流量會(huì)增加，氣泡數(shù)量增多，與不同入口壓力下的數(shù)值模擬氣泡受力分析的結(jié)果具有一致性。

表1 不同入口壓力下的氣泡濃度

入口壓力（kPa） 流量（L/min） 個(gè)/cm2

150 3.7 112

200 4.9 165

300 6.7 120

400 8.1 221

2.2 不同尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)下的仿真模擬分析

文丘里管式氣泡發(fā)生器在不同的幾何設(shè)計(jì)參數(shù)條件下生成的微米氣泡粒徑分布與個(gè)數(shù)濃度具有明顯不同，這些幾何參數(shù)包括收縮角度、喉部長度、擴(kuò)張角度以及喉部直徑。如圖5所示，本文設(shè)置了16個(gè)工況，對(duì)每個(gè)參數(shù)4種變化來進(jìn)行模擬。由于氣泡破裂主要發(fā)生在喉管段和后段擴(kuò)散部分，局部負(fù)壓在一定程度上決定了微氣泡的發(fā)生效果，因此對(duì)不同因素變化下的壓力沿x軸方向的變化場進(jìn)行分析[6]。

圖5（a）展示了不同喉部直徑下流場的壓力分布圖。隨著喉管直徑縮小，入口端所需的壓力急劇上升，喉管直徑越小，逆壓力梯度就越大。該結(jié)果表明直徑比的變化能顯著影響流場分布，尤其是擴(kuò)張段內(nèi)的流場，該段區(qū)域是氣泡破裂主要的發(fā)生地。

圖5（b）為不同擴(kuò)張角下流場的壓力分布圖。隨著擴(kuò)張角增大，達(dá)到同一流速所需的入口壓力顯著提高。在擴(kuò)張段，水流先以射流的形式流出喉部，然后逐漸擴(kuò)大，逆流充滿整個(gè)擴(kuò)張段。射流與回流接觸的部分會(huì)產(chǎn)生較大的渦旋，導(dǎo)致能量耗散和壓力損失增加。隨著擴(kuò)張角度增大，分離現(xiàn)象越明顯。在流量一定的情況下，喉管處的負(fù)壓隨角度的增大而降低。因此擴(kuò)張角對(duì)氣泡破碎具有決定性的影響。

圖5（c）展示了不同喉管長度下流場的壓力分布圖。隨著喉管長度增加，進(jìn)口端的壓力也增加，這是為了克服喉部長度增加所產(chǎn)生的額外水頭。喉部長度越短，產(chǎn)生的負(fù)壓越大。原因是收縮段與喉管入口交界處會(huì)產(chǎn)生渦旋，形成的負(fù)壓影響范圍隨喉管長度的縮短而擴(kuò)大。但從整體來看，喉管長度變化對(duì)流場影響不大。

圖5（d）為不同收縮角下流場的壓力分布圖。隨著收縮角度增加，達(dá)到喉部同一速度所需的入口壓力增加，這是為了克服收縮段的水頭損失。但從總體來看，收縮角對(duì)流場的差異影響變化不大。

壓力損失系數(shù)如公式（5）所示。

（5）

壓力損失系數(shù)定義為整體壓力損失與壓力能在喉部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的比值，可通過公式（5）計(jì)算。公式（5）判斷發(fā)生裝置用來克服水頭損失所消耗的壓力能，其余部分壓能被轉(zhuǎn)化為喉部的動(dòng)能。比值越低，說明轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的效率越高，壓力損失越小。采用壓力損失系數(shù)對(duì)不同尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)下喉管部的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析，以判斷幾何參數(shù)對(duì)氣泡產(chǎn)生影響的相對(duì)重要性。

不同尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)下的壓力損失系數(shù)如圖6所示。在圖6中，將4個(gè)變量的最小值設(shè)為1，其他參數(shù)轉(zhuǎn)化為最小值的倍數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著收縮角度增加、喉管直徑變小、喉管長度增加和擴(kuò)張角度增加，壓力損失系數(shù)逐漸升高。從斜率的變化趨勢可以看出，喉管直徑與擴(kuò)張角對(duì)壓力損失系數(shù)的影響變化最大。這表明喉管直徑與擴(kuò)張角對(duì)文丘里管內(nèi)流場的影響較顯著。

3 結(jié)論

采用高速攝像機(jī)并結(jié)合圖像后處理技術(shù)計(jì)算氣泡粒徑分布，在氣體流量為40mL/min、出口壓力為80kPa的不同入口壓力工藝參數(shù)下，拍攝計(jì)算所得粒徑分布變化與模擬受力分析結(jié)果一致，模型可用于指導(dǎo)不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的氣泡破碎數(shù)值分析。

4種不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)機(jī)用清洗氣泡發(fā)生器的性能影響存在差異。其中不同收縮角和喉管長度對(duì)入口壓力影響不大，而喉管直徑越小，擴(kuò)張角度越大，入口壓力也會(huì)越大，具有更好的氣泡破碎效果。

喉管直徑與擴(kuò)張角對(duì)壓力損失系數(shù)影響效果顯著，表明通過改變喉管直徑和擴(kuò)張角的大小，可有效改變文丘里管內(nèi)部流場分布結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化內(nèi)部渦流對(duì)氣泡的剪切作用。

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