关键词：CFD；吸盘；流场仿真；泄漏；真空度
0 引言
真空吸盘作为一种常用的真空设备执行器，通过负压发生装置、真空元件、管路等一系列工作单元的作用，将真空能转化为机械能。由于其易使用、无污染、不影响工作表面等优点，在轻工、电子、建筑、建材等领域得到了广泛的应用[1]。近年来，真空吸盘作为爬墙机器人的关键结构再次引起了广泛的关注，众多科研工作者对其进行了大量的研究，在吸盘外形、密封材料、内部结构等方面进行了改进。在真空吸盘工作时，可能会遇到工作表面质量较差的情况，气体泄漏直接会导致吸盘内外压强差的降低，影响真空设备的安全性和可靠性。所以应该在使用真空吸盘前，对其工作表面环境进行简单测量和计算，初步确定真空吸盘可以达到的真空度，以此判断其是否可以达到工作要求。
1 真空吸盘工作原理
真空吸盘在工作时，与物体表面接触后形成一个临时性的密闭空间。通过负压发生装置（风机、真空泵、真空发生器等）和气动管路将密闭空间中的空气抽走，吸盘内外形成压强差,于是外界的大气压把物体和真空吸盘牢牢地挤压在一起。如果泄漏的空气量和被抽走的空气量达到平衡，则吸盘能够实现稳定吸附[2-3]。但是由于泄漏会导致吸盘内部真空度降低，在吸附面积一定时，吸附力下降。如果泄漏量过大，则不能实现有效吸附，而是达成类似抽气机的效果。真空吸盘可产生的吸力大小主要由压强差和有效吸附面积决定，吸附力公式：
式中：FN为吸附力；P1为吸盘外压强；P2为吸盘内压强；S为有效吸附面积。
2 吸盘工作表面简介
真空吸盘由于其较强的适应性，被应用在很多工作场合，比如各种材料的吸附、搬运、夹持等。下面主要讨论用于爬壁机器人的真空吸盘的工作环境。目前城市建筑物外墙面的材料[4]主要有以下4种：1）镶面类，如天然石材、人造石材、面砖、陶瓷砖、玻璃制品、铝塑板、金属板等；2）石碴类，如水刷石、干粘石、刹斧石等；3）砂浆类，如水ffll砂浆（用作拉毛灰、甩毛灰）、聚合物水泥砂浆或水泥浆（用作喷漆、滚涂、弹涂）；4）色浆涂料，如水泥色浆、乳胶漆。
其中色浆涂料、玻璃制品、金属板的表面情况最好。然后是砂浆和石渣类，其表面相对粗糙，但是凹凸不太明显。石材、面砖类外墙表面情况最差，单个表面上不仅存在凹凸，而且由于每一个单元的表面小，所以彼此之间的连接处存在较多的缝隙。
网络远程教育运行机制是指各教育组织运行过程中各构成要素之间相互联系、相互影响的模式，是决定远程教育发展方向及路径的关键所在。探讨高校远程教育运行机制优化策略，是推进高校远程教育发展的必然选择。
3 真空吸盘流场仿真建模
3.1 吸盘流场的物理模型
为了适应不同的工作环境，研究人员设计了多种不同外形的真空吸盘。为了便于研究，我们采用简单的方形吸盘（边长200 mm，高50 mm）为模型来进行仿真分析，如图1所示。
由于该吸盘是对称图形，并且大多数墙面情况比较均匀，为了模拟流场泄漏的情况，我们在此做一个假设：真空吸盘与工作表面所面临的泄漏情况是一致的。我们分别设定不同的泄漏条件：缝隙高度分别为2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm；缝隙宽度分别为10mm、30mm、50mm（以上数值均为矩形吸盘一面的情况，其他三面相同）。分别将缝隙高度和宽度进行组合,对不同的泄漏面进行仿真。由于在气体进口处的压力、速度和流量等情况都是未知的，所以要在物理模型的基础上增加扩展区[5-7]，与入口处进行连接，如图2所示。由于距离吸盘入口处较远，可以假设远端不受影响[8]，将其扩展区边界上的静压设为0，来真实模拟吸盘的实际流场。
图1 吸盘流场物理模型
3.2 吸盘流场的数学模型
气体从扩展区通过负压的作用从缝隙进入吸盘的内部，然后从出气口排除，整个过程遵循的数学模型为：
图2 含扩展区的流场物理模型
1）连续性方程：
式中：ρ为流体密度，kg/m3；V为流体速度矢量，m/s。
刘训峰在主题报告中，回顾了上海华谊化工60年的创业史、奋斗史、发展史，尤其是改革开放40年来改革、创新、发展与调整的历程，在总结近10年发展成效的基础上，对集团未来发展提出了明确目标与要求。他强调，过去60年，华谊集团在党的坚强领导下，依靠广大员工艰苦创业、发展壮大。面对新时代、新挑战，我们要着力把党的政治优势和组织优势转化为企业发展的竞争优势，更加注重提升党建引领能力。
(3)实验选用SiBCN先驱体进行分子动力学模拟实验，通过分别在0.01Gpa，0.02Gpa的条件下进行模拟分析，通过改变压力大小，能够获得在实验过程中的温度变化、能量变化、密度变化、结构的边长与角度的数据。可以发现在0.01Gpa压力下各项数据起点与终点对比变化很小，在0.02Gpa压力下仍然看不到显著变化，说明这种先驱体受到压力的影响很小。
2）动量守恒方程：
式中：p为静压力,Pa；ζ为体积黏性系数，Pa/s。
农产品是生活必需品，其价格稍有波动，人们便会非常敏感。如果消费者认定某一农产品的预期价格会上涨，便会增加当期对该产品的抢购和囤积，从而导致市场上对该产品的需求增加，在总供给一定的情况下，市场上便会出现该产品供不应求，物价短期内上涨的局面。因此人们会产生通胀预期，通过增加当期消费，购买保值、增值产品，从而降低财富损失，同时这也增加了市场上货币的流通量，致使物价上涨，推动了CPI的上升。
有效黏度系数μeef的定义为
式中：μ为层流黏度系数；μT为湍流黏度系数。
日本一位学者两本著作的中译本，近日在图书市场竟然以同一个书名出现，都叫《低欲望社会》。这样的“撞脸”，让图书市场跟风蹭热点的风气又出现了一个极端的案例。
式中：k为湍动能；ε为动能耗散系数。它们满足k－ε双方程。
式（3）的k－ε双方程：
实验组患者的睡眠时间约为(8.94±0.62)h显著优于对照组睡眠时间约为(5.23±0.45)h,组间差异对比较为明显,(t=4.734,P<0.05),具备统计学意义。
其中
患者的口腔症状消失，牙周情况良好以及牙齿保持较好的美观度视为显效；患者的口腔症状有明显的好转，牙周情况一般以及牙齿美观度良好视为有效；患者的口腔郑虎藏、牙周情况以及牙齿的美观度都没有明显的改善视为无效。
4 CFD前处理与边界条件的设定
通过ICEM对流场区域进行网格划分，采用非结构化四面体网格，尽量降低模型形状和结构对流场分析的影响，使计算达到比较高的精度。如图3所示，为真空吸盘含开放区的网格图，网格精度数量级达到106。
使用Fluent软件对计算域进行流场分析，扩展区入口处边界条件设为一个标准大气压，排气出口处压强设为-60 kPa。离散方法使用有限体积法，求解算法采用SIMPLEC。计算过程求解N-S方程，采用k-ε标准双方程作为湍流计算模型。
图3 吸盘计算域非结构网格图
5 吸盘计算域流场分析
通过对矩形吸盘在不同泄漏缝隙情况下内部流场区域的仿真，进行压力云图、速度云图和流线图的对比分析，得出吸盘内部流场的情况。在计算时均保证了各参数具有较好的收敛性。利用Fluent对气体进出口面的流量进行数值计算，得到的结果如表1所示。
通过以上进出口流量对比可以看出，二者误差很小，符合质量守恒定律，从而证明仿真结果的可靠性。
针对防凌形势，陈雷部长要求国家防总和有关地区防汛抗旱指挥部门要强化气象、水情发展趋势研判，密切监测凌情变化，及时作出预测预报。要根据凌情发展变化，科学调度龙羊峡、刘家峡、万家寨和小浪底等沿黄骨干水利枢纽，为平稳封河创造条件。沿黄各地要进一步强化应急值守，落实各项防凌责任和预案，组织好防凌抢险队伍，备足抢险物料，加强巡堤查险，确保防凌安全。
表1 不同泄漏情况进出口流量
吸盘缝隙 进口流量/(kg·s-1) 出口流量/(kg·s-1)2-10 8.150×10-9 -8.147×10-9 2-30 5.639×10-8 -5.634×10-8 2-50 8.643×10-8 -8.632×10-8 4-10 3.769×10-8 -3.769×10-8 4-30 9.826×10-8 -9.834×10-8 4-50 1.341×10-7 -1.340×10-7 6-10 5.448×10-8 -5.452×10-8 6-30 1.320×10-8 -1.321×10-8 6-50 1.583×10-7 -1.585×10-7 8-10 7.086×10-8 -7.087×10-8 8-30 1.495×10-7 -1.495×10-7 8-50 1.685×10-7 -1.686×10-7 10-10 8.389×10-8 -8.390×10-8 10-30 1.598×10-7 -1.599×10-7 10-50 1.721×10-7 -1.722×10-7
在所选不同尺寸的泄漏缝隙当中，存在3组泄漏面积相同的组合，分别是2-30和6-10、2-50和10-10、6-50和10-30，图4所示是利用Fluent软件得到的不同泄漏情况下的压力云图。
图4 吸盘内部压力云图
图4 （a）、图4（b）是单面泄漏面积为60 mm2时的压力云图（压力单位 kPa，下同），从图中可知缝隙2-30时的真空度是［-54.000,-52.801］，缝隙6-10时的真空度是［-54.141，-52.030］。图4（c）、图4（d）是单面泄漏面积为100 mm2时的压力云图，从图中可知缝隙2-50时的真空度是［-45.423,-44.188］，缝隙10-10时的真空度是［-47.143,-45.631］。图4（e）、图4（f）是单面泄漏面积为300 mm2时的压力云图，从图中可知缝隙6-50时的真空度是［-16.365,-15.198］，缝隙10-30时的真空度是［-16.485,-14.343］。通过以上数据分析可知，在误差允许范围之内，吸盘内真空度的大小主要受泄漏缝隙面积的影响，而泄漏缝隙具体尺寸对其值影响不大。由此我们通过Fluent仿真，根据以上缝隙面积的不同分别得到了相应的真空度（取平均值），如表2所示。
表2 不同泄漏情况下吸盘内部真空度
说明：缝隙面积为单面泄漏面积。
缝隙面积/mm2 真空度/kPa 20 58.5 40 57.0 60 53.0 80 49.5 100 45.0 120 42.0 180 29.0 240 21.0 300 15.0 400 14.5 500 7.0
通过表2数据，利用Matlab的plot功能建立了泄漏缝隙面积和吸盘内部真空度的二维关系图，如图5所示。
从图5中反映的关系可知，随着泄漏面积的增大，吸盘内部真空度呈下降趋势。在0~170 mm2范围内，泄漏面积与真空度间基本成线性关系，下降速度最快；在缝隙面积达到170 mm2以后，随着缝隙面积的增大，尽管真空度仍在下降，但是下降的速率逐渐降低，最后逐渐趋于一个稳定值。
图5 吸盘内部真空度与泄漏面积关系图
6 结论
基于计算流体力学，通过Fluent仿真分析得出了存在泄漏时真空吸盘内的压力分布情况，并且建立了泄漏面积与吸盘内真空度的关系。可以实现通过简单测量吸盘工作表面情况估计泄漏面积的大小，然后通过该曲线，初步确定吸盘内部可能达到的真空度，从而判断吸盘是否可以实现安全的工作。此方法将泄漏面积直接与吸盘内真空度联系起来，简化了判断吸盘能否实现可靠吸附的过程，对吸盘的安全使用具有很高的现实应用价值。
