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    射流宽度和壁面曲率比值对附壁效应真空发生器性能的影响规律研究

    放大字体  缩小字体 发布日期:2021-10-18 11:03:29    浏览次数:209    评论:0
    导读

    以附壁效应真空发生器为研究对象,研究了b/R值对其工作性能的影响规律。通过建立附壁模型并进行理论分析,对影响射流附壁的关键参数b/R值,即射流宽度b和壁面曲率R的比值进行探究。进一步对附壁效应真空发生器进行仿真,分析其内部流体的流场分布。同时通过试验研究,从真空度和真空响应时间两方面分析其主要结构参数b/R值对其工作性能的影响,得出b/R值在1/50左右时工作性能最优,达到的极限真空度为0.056 MPa,真空响应时间为0.2 s

    引言

    附壁效应[1](Coanda Effect)是指流体在流经弯曲表面时贴附于固体表面,偏离原有流动路径流动的现象。尤其在高速射流的喷射过程中,在贴附曲面流动时会对周围的气体产生卷吸作用,并与高速射流相混合一起向前流动。

    目前对射流附壁流动现象的研究很多,但多集中于航空航天领域[2-4],用于飞行器动力学性能的改善,对附壁效应式真空发生器并未有较为深入的研究[5]。AMERI[6]通过建立发生器的数学模型,提出了对流体区域的数值计算方法,但其在计算过程中运用了实验获得的半经验公式,并且实验使用的两种发生器结构相似,未针对具体结构参数,如初级喷嘴宽度与附壁表面曲率比即b/R值、扩散管长度L、喉部直径d等进行研究,无法得出普遍性的结论。为此,KIM H D等[7]利用有限元方法建立了附壁效应式真空发生器CFD模型,解释了发生器结构参数,如初级喷嘴e、曲率半径R和喉部直径d,对其工作性能的影响;但并未结合实验进行阐述和分析来验证数值分析得出的结论,不足以反映发生器具体结构参数对实际工作性能的影响。LIEN T K等[8]基于典型的附壁效应式真空发生器的结构,提出了更适用于纺织品搬运的平板式附壁效应真空发生器,但未进行深入的理论分析;且仅针对平板式真空发生器通道的长度、高度与宽度的比对其工作性能的影响进行实验研究,并未涉及到发生器b/R 值等关键参数。

    通过理论分析与数值仿真结合的方式,对影响射流附壁的关键参数b/R值进行探究。以优化附壁效应式真空发生器的工作性能为目标,通过理论分析、数值仿真与试验分析,对不同b/R值所对应真空发生器内部的流动情况与特性进行有效分析,对b/R值对附壁效应式真空发生器性能的影响规律进行探究。

    1 附壁效应真空发生原理及数学模型

    射流通常会贴附于邻近的弯曲表面流动,这种现象存在于液体或气体射流贴壁流动过程中,称之为附壁效应。在射流高速流动产生附壁效应时,会对周围的气体产生卷吸作用,形成低压区,产生真空。对喷射流作用于圆柱表面的附壁流动进行研究,建立数学模型对其流动特性进行预估,讨论b/R值对附壁流动的影响规律。

    针对圆柱的圆周表面上稳定不可压缩的二维射流建立极坐标系,如图1所示。射流从起始处开始形成贴附于圆周表面的绕流,并在附壁流动区域保持这种附壁流动。

    图1 附壁流动二维理论模型与坐标系示意图

    根据不可压缩气体连续性方程、纳维斯托克斯方程(N-S equations)进行简化可得:

    (1)

    (2)

    (3)

    式中, r为曲面圆心到流体外层边界的距离; θ为射流偏移的角度; ρ为流体的密度; p为流体的压强; Vθ为垂直于r的切向速度; Vr为平行于r法向的速度; τ为层流剪切力。

    将式(1)~式(3)中的变量表示为无因次量,如下:

    式中, Uj为喷嘴出口射流的速度(θ=θ0)(假设横截面为常数); Re为雷诺数; y为从圆柱表面开始的径向距离,y=r-R

    运用Falkner-Skan动量转换方程和边界层条件对其进行简化和计算得出流动速度变量的组成形式,如下:

    (4)

    (5)

    其中:

    (6)

    (7)

    式中, f是关于η的函数,对层流而言σ=1,a=1/4, c=0, 经过推导可以得出, fff ′的关系如图2所示。

    图2 fff数值关系图[2]

    图3 附壁效应真空发生器结构示意图

    从理论计算所得的流速公式可以看出,流速与变量ff ′有关,切向流速正相关与η·f的关系如图2所示,在η·f的值在8左右时,10 f ′/f取得最大值即取得最大值,此时b/R≈0.0194295,接近1/50;法向流速虽然较小,但流体在法向也有一定程度上的扩散,法向流速保证了附壁流动的产生,所以b/R的值在1/50左右时流速取得最大值,此时射流附壁的效果较好。

    2 附壁效应真空发生器结构和关键结构参数

    附壁效应真空发生器如图3所示。当具有一定压力和流速的初始气流由入口1流入后,进入储气腔内,当储气腔内充满气体,气体受压会流动到环形细缝处;气体从环形细缝中高速流出形成射流并且收敛贴附于细缝外侧的环形曲面流动并进入最窄的截面处,这个截面被称为“喉部”,然后沿着后侧扩散管的管壁继续流动。由于初级气流从喷嘴处以超音速射出并沿着附壁曲面扩散,会在喷嘴附近产生一个低压区,位于低压区附近的气体会被卷吸进入发生器内部,诱导二级气流产生并由入口2进入真空发生器内,与初始气流在扩散管内混合并共同沿着管壁流动,最后经出口3流出。

    根据对附壁效应真空发生器内部流道的分析,对发生器的关键结构进行设计。发生器主要由三部分组成,分别为储气腔、曲率流道以及扩散管,根据试验对重要的结构参数设置不同的值,如不同尺寸的曲率流道、不同长度的扩散管等。初始气流由入口1流入并卷吸入口2处的气流,在入口2处产生负压,形成真空,实物如图4所示。

    图4 附壁效应真空发生器实物图

    3 b/R值对附壁效应真空发生器性能影响的规律分析

    3.1 b/R值对附壁效应真空发生器性能影响的仿真分析

    1) 数值计算模型

    建立整个附壁效应真空发生器内部流道三维模[9-10],使用ICEM对模型的网格进行划分,模型的网格划分如图5所示;设置入口1为压力入口,入口2为自由入口。

    图5 附壁效应真空发生器网格划分

    2) 流场分布研究

    附壁效应真空发生器的内部在初级喷嘴处的速度矢量图,如图6所示。由于初级气流从喷嘴处以超音速射出并沿着附壁曲面扩散,会在喷嘴附近产生一个低压区,位于低压区附近的气体会被卷吸进入发生器内部,这就是诱导二级气流产生的过程,图6清晰地显示了初级气流和二级气流在喉部区域混合流动的情况。

    图6 初级喷嘴出口处半幅速度矢量图

    附壁效应真空发生器的静态压力分布云图,如图7所示。从图上我们可以看出,入口2处卷吸气流的流量不仅仅取决于初级气流超音速喷射所产生的低压区,事实上,诱导二级气流进入发生器内部的主要因素是射流贴壁流动时紊流所产生的混合边界层。将对不同细缝宽度b所对应的发生器喉部和出口处仿真所得的速度值进行对比, 如图8所示。通过发生器喉部即X轴方向X=0处Y方向的速度分布的分析,如图3所示,可以清楚地看到初级气流与二级气流的混合程度。速度曲线图可以分为两部分,第一部分主要特征是速度快、梯度大,这是由细缝喷射出的初级气流造成的;第二部分速度不快但比较平稳,梯度不大,这是由于这部分的主流是诱导产生的二级气流。同时第二部分速度曲线平缓趋于直线表明初级气流与二级气流已经充分混合。

    图7 附壁效应真空发生器静态压力分布云图

    图8 不同初级喷嘴宽度bX=0处Y方向速度

    不同曲率半径值对发生器工作性能的影响也很显著,如图9所示。数据表明,在细缝喷射状态较为稳定的情况下,不同的曲率半径R对初级气流喷射出的速度和诱导二级气流的流量的影响是不同的停滞压力造成的。

    图9 不同壁面曲率RX=0处Y方向速度

    3) b/R值对附壁效应真空发生器性能的影响

    附壁效应真空发生器工作性能主要根据其初级气流卷吸二级气流量的大小和两种气流在发生器内部混合的程度进行判断。对于发生器进行的优化主要是对初级气流喷嘴喉部尺寸和附壁面曲率进行研究。

    首先,发生器不同初级喷嘴宽度b的值会导致其内部气流混合程度的不同,从图8中可以看出,相比于其他宽度而言,当b=0.2 mm时,发生器末端气流的混合程度更好,这表明当b值减小时,混合程度会增强。这可能是因为当b减小时,初级气流出口的有效面积会随之减少,喷射出超音速气流的速度会随之增大,所以初级气流从喷嘴高速喷射出来时会过膨胀。又由于外部压力产生冲击波造成的气流压缩效应,气流的速度会逐渐衰减。并且可压缩混合层的增长主要依赖于初级气流的马赫数,马赫数越小,混合层膨胀越快,气流的混合程度越高。由于压缩效应影响混合层的膨胀,所以b/R值在一定范围内,发生器初级喷嘴宽度b的值越小,其工作性能越好。

    3.2 b/R值对附壁效应真空发生器性能影响的试验研究

    在对附壁效应真空发生器仿真分析的基础上,进一步通过试验对真空发生器的关键结构参数b/R值,在工作过程中对发生器工作性能的影响进行探究。试验主要对不同b/R值对应的发生器在二级气流入口产生的真空度和真空响应时间作为判断发生器性能的依据,并将不同b/R值下的试验结果进行对比分析,不同规格附壁效应真空发生器的主要参数如表1所示。

    表1 不同规格附壁效应式真空发生器的主要参数

    参数规格ⅠⅡⅢIV附壁面曲率R/mm5101520初级喷嘴宽度b/mm0.20.20.20.2喉部直径d/mm20202020扩散管长度L/mm150150150150初级气流入口面积 Sinlet/mm233.1733.1733.1733.17气流出口面积Sexit/mm21045.821045.821045.821045.82

    1) b/R值对附壁效应真空发生器真空度的影响

    附壁效应真空发生器真空度测试试验台的搭建如图10所示。试验过程中,调压阀、节流阀对回路中气体的压力和流量进行调节,将被吸取物离开发生器二级入口时的拉压传感器的示数作为吸持力的值,确保能够计算不同吸持力所对应的真空度。试验中所使用的测量设备,如表2所示。

    图10 附壁效应真空发生器有效性测试试验台

    表2 试验使用测量元件型号参数

    元件名称型号量程压力调节阀SMCAW40-02BG0.05~0.85MPa流量显示器SMCPF2A703H-10-28150~3000L/min拉压传感器JLBM-No:1163988±10kg

    不同的b/R值会在附壁效应真空发生器内部产生不同的流动现象,对发生器的工作效率有决定性的影响。试验过程中采用皮质材料作为被测材料,是由于其低透气性能保证在不同初级气流压强不同b/R值所对应的结构下所产生的最大真空度,测试结果如图11所示。

    图11 不同b/R值下二级气流入口处真空度

    从图11可以看出,在初级喷嘴宽度b一定的情况下,改变曲率R的值,所对应的发生器产生真空的能力有一定的差别。在R=10 mm的情况下二级气流入口处真空度明显高于另外三种情况,此时b/R=1/50,与上文对附壁效应真空发生器仿真分析所得结论相符。

    2) b/R值对附壁效应真空发生器真空响应时间的影响

    为了进一步研究b/R值对附壁效应真空发生器的工作性能的影响,对不同b/R值所对应真空发生器的真空响应时间进行试验。试验中的真空响应时间定义为在供给流量为0.05 m3/min,供给压力为0.4 MPa的条件下,对容积为0.001 m2的真空容器进行抽吸,使其内部真空度达到稳定的过程时间。试验的气动回路图,如图12所示。

    图13为不同b/R值对应真空发生器的真空响应过程对比,根据对比试验结果可知:附壁效应真空发生器的极限真空度约为0.056 MPa, 低于同级别的射流式真空发生器的0.088 MPa,响应时间约为0.2 s,短于同级别的射流式真空发生器真空度达到0.056 MPa的0.44 s;不同b/R值对应的真空发生器的真空响应时间略有不同,b/R=1/50时所对应发生器的真空响应时间比其余四种略短且极限真空度比其余四种高,说明其工作性能较好;与同级别的射流式真空发生器对比可知,在对真空容器抽吸的起始阶段,附壁效应真空发生器的工作效率略高于射流式真空发生器,这是由于附壁效应真空发生器大流量的工作特性决定的,但真空容器内部极限真空度低于射流式真空发生器。这说明,附壁效应真空发生器适用于工作条件为流量要求较大但真空度要求不高的场合。

    1.气源 2.过滤器 3.减压阀 4.压力表 5.节流阀 6.流量计 7.真空发生器 8.消声器 9.真空压力传感器 10.真空容器
    图12 真空响应时间试验气动回路图

    图13 不同b/R值下真空发生器的真空响应时间

    4 结论

    从二维附壁效应原理出发,通过理论模型探索了b/R值附壁效果的影响。在此基础上对附壁效应真空发生器进行结构设计,并针对关键结构参数b/R 值,通过仿真和试验分析其对发生器工作性能的影响规律。结果表明:b/R值对发生器工作性能的影响很显著,b/R 值在1/50左右时发生器工作的极限真空度为0.056 MPa,真空响应时间为0.2 s,性能较好;在R值不变的情况下,减少初级喷嘴宽度b,发生器会卷吸更多的二级气流,并且b的值对控制紊流的混合长度有关键性作用,b的值减小,发生器的混合层会快速增长,气流充分混合所需的长度缩短。

     
    (文/小编)
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