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飞机机用清洗气泡发生器性能研究.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、。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
9、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
10、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
11、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
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