《機械設(shè)計制造自動化開題報告4800字》

PAGE7自激條件下空化清洗噴嘴的動態(tài)模擬及結(jié)構(gòu)設(shè)計1課題來源各類船舶、水下設(shè)施在長時間的工作中，會形成厚厚的垢底，產(chǎn)生不利影響，需要進行及時清洗。空化射流清洗技術(shù)是利用汽蝕原理，在噴嘴出來的空化射流內(nèi)誘發(fā)含有空氣或水蒸汽的初生空泡，使空泡發(fā)展長大，當(dāng)射流沖擊到靶材表面或附近時發(fā)生潰滅，從而使靶材引起汽蝕破壞，以達到清洗的目的。據(jù)研究表明，在相同泵壓下，空化射流的沖擊力是連續(xù)射流沖擊力的8.6-124倍，同時，由于其具有高效、環(huán)保等特點，對空化射流技術(shù)的研究及相應(yīng)的噴嘴結(jié)構(gòu)的探索越來越受到各國學(xué)者的青睞，各種先進的研究成果也不斷涌現(xiàn)。特別是自振空化清洗噴嘴利用了流體在自振腔內(nèi)的自振效應(yīng)，增大的空化效果。2研究目的和意義在工業(yè)清洗領(lǐng)域，霧化清洗不僅實用于大型機械設(shè)備的清洗，而且對于精密儀器的清洗瞳川，效果同樣顯著。實際應(yīng)用表明，霧化清洗不僅克服了常規(guī)清洗設(shè)備體積大、循環(huán)難及清洗效果差的缺點，而且安全可靠。然而，對于霧化清洗技術(shù)，要想能夠提高清洗效果，以最大限度提高節(jié)水能力，首先就是要提高水流的打擊力，其次就是提高霧化效率，而且霧化效率越高，水射流在打擊垢物的同時，充足的空泡能滲入物體表面縫隙，形成一定的空化度，根據(jù)射流的空蝕作用機理，進而能提高清洗效率。因次，霧化技術(shù)的發(fā)展對于本研究具有指導(dǎo)性的作用。20世紀80年代初，A．H．Lefebvre提出了一種新型射流方式一氣動霧化，空氣以適當(dāng)?shù)姆绞搅魅氲揭后w中形成氣液兩相射流，射流在噴嘴混合室充分混合并形成穩(wěn)定的泡狀兩相流動，兩相射流在離開噴嘴出口后，并且在極短的距離內(nèi)，由于氣泡內(nèi)外壓力的劇烈變化，氣泡急劇膨脹直至破裂，包裹在其周圍的液膜在巨大的沖擊力的作用下，進一步破碎成為更加細微的液霧顆粒，這種霧化方式適合于粘度較大的液體霧化。也有學(xué)者從外界增添激勵，采用超聲波、靜電場等特殊霧化方式對液體進行霧化，但是基于清洗成本考慮，將其應(yīng)用到清洗領(lǐng)域的可行性較小。本課題組成員在氣液兩相清洗射流做過較為深入的研究，廖振方研究了利用帶電氣溶性射流清除金屬表面油垢和垢物心引，高全杰等乜剮對氣溶性射流的噴嘴進行了設(shè)計計算，并做了相關(guān)實驗，找到了對于特定尺寸的噴嘴的最佳工藝參數(shù)(壓力、射程以及打擊力等)。這類常規(guī)的氣液兩相射流盡管在一定程度上提高了霧化效果，但是僅僅是依靠氣動力使得液體霧化，而沒有從水介質(zhì)自身尋找突破，而且依靠細化水介質(zhì)噴管直徑的代價來提高水流霧化效果很容易造成管道的堵塞，并且設(shè)計加工成本高，不能以最優(yōu)的方式解決上述問題。以氣液兩相射流為代表的節(jié)水技術(shù)依靠許多細孔狀水流管口對水介質(zhì)進行霧化處理，復(fù)雜的細孔很容易造成水流管道的堵塞，水流從管口噴出后分散度不高，帶來的射霧化效果較差，節(jié)水能力有限，對于具有復(fù)雜孔隙物體的清洗不徹底，進而造成清洗效果不佳。為此，本項目提出了一種新型水介質(zhì)自激振蕩氣溶性射流清洗技術(shù)，將自激振蕩理論應(yīng)用于水射流的霧化，通過水介質(zhì)依靠自身動力進行霧化尋找突破，結(jié)合氣液兩相理論，利用自激振蕩射流的技術(shù)優(yōu)勢，將水介質(zhì)充分霧化，不僅使清洗設(shè)備大大簡化，而且能夠提高清洗效果，極大的節(jié)約工業(yè)用水資源。自激振蕩產(chǎn)生脈沖射流，能夠間斷性的蓄能和釋放能量，其產(chǎn)生的脈動壓力段將連續(xù)的水射流分割成為許多均等的微細部分，待通過擴張的噴嘴后，脈動壓力得到釋放，從而使得水介質(zhì)在與高速氣體混合之前就具有很好的霧化效果。將自激振蕩理論應(yīng)用于單相水介質(zhì)的破碎，也就是使水介質(zhì)在與高速氣流混合時得到初次霧化，隨后與高壓氣體混合，將最大限度的節(jié)約水資源；經(jīng)自激振蕩后，氣液兩相射流充分混合，液滴將得到進一步的破碎，細小的液滴在高速氣流的作用下，不僅能夠克服水流之間粘制力，能夠深入更加微小的間隙中，氣體的存在還能形成一定的空化作用，從而能夠獲得深度清洗的效果。3研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢3.12水射流的研究現(xiàn)狀高壓水射流技術(shù)是以實際生產(chǎn)應(yīng)用為主的技術(shù)學(xué)科，所以從高壓水射流出現(xiàn)到現(xiàn)在，國內(nèi)外學(xué)者的共同努力下，水射流技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了各個生產(chǎn)生活領(lǐng)域。高壓水射流在航空工業(yè)上應(yīng)用較多，例如利用高壓水射流清洗發(fā)動機組件及螺旋槳的難題也被watson攻克。飛機表面的銹蝕會嚴重影響飛行安全和飛機壽命，Peng采用理論和實驗結(jié)合的方法，成功研制出壓力高達250MPa高壓水射流清洗裝置。Zink等在清洗石油管路系統(tǒng)方面做了研究，石油行業(yè)中存在露天的管路和地下管路2種，管路的污垢層大約為0．5mm到lcm之間，需要清洗干凈管道所使用的壓力為69MPa，耗水量為60L/min。對于采用固液二相流的壓射流清洗油管污垢方面，沈忠厚等做了研究，主要研究高壓清洗效率和水壓力，打擊目標(biāo)距離，磨料的粒徑，噴射打擊目標(biāo)角度，噴嘴的出口直徑之間的關(guān)系。研究表明，隨著水壓和噴嘴出口直徑的增大，前混合式磨料射流清洗油管的清洗效率越好，但是隨著打擊目標(biāo)距離的增大，清洗效率先增加后減小，磨料的粒徑和噴射打擊目標(biāo)角度確是存在一個最佳的數(shù)值：磨料的粒徑為0.8mm，噴射打擊目標(biāo)角度大約為17度最佳?？偟膩碚f，在清洗效率方面，前混合式磨料射流要遠遠比后混合式的磨料射流清洗效率高。在借助高壓水射流來清洗管道污垢方面，Tylor作出了杰出貢獻，他詳細解釋了高壓水射流使污染物脫離的原因；在大量實際工作基礎(chǔ)上總結(jié)出了高壓水射流清洗的實際操作經(jīng)驗；在他經(jīng)過大量總結(jié)后，油漆表面清潔水平的檢查標(biāo)準(zhǔn)也由Tylor逐步完善了并且推出了。說道油漆污染物清洗，Babets也在這方面做了大量研究，得到了利用高壓水射流清洗油漆污染物的效果及其清洗參數(shù)的相互聯(lián)系。Tliomas通過實驗得到高壓水射流清洗合金表面的質(zhì)量與水壓的相互關(guān)系，此基礎(chǔ)上得到了相應(yīng)經(jīng)驗公式。Han在大量實驗和前輩理論的基礎(chǔ)上成功研制出利用高壓水射流清洗工業(yè)熱交換器的清洗設(shè)備。在大型船舶殼體的清洗方面，外國人還是走在了前面，利用高壓水射流清洗大型船體銹蝕外殼的專用大型機械被Palm研制出來。眾所周知，海水銹蝕海底機構(gòu)是十分困難的，但是清除海水銹蝕的專用高壓清洗機器被Heenev經(jīng)過多年攻堅成功研制。在清洗儲水水箱上，Anon在專門研究對合成樹脂等有機物的清洗。在機械生產(chǎn)工藝上，卞致瑞經(jīng)過不懈努力的大量研究，鋼板上的鱗片終于被高壓水射流全面清除。3.22自激振蕩射流研究現(xiàn)狀目前，國內(nèi)外主要以研究以高壓水射流單相水介質(zhì)清洗，而且絕大部分都是對射流噴出噴嘴之后的運動機理以及射流與靶物的相互作用機理做了相關(guān)的研究，而很少去研究射流內(nèi)部流體的運動情況，因次，將自激振蕩應(yīng)用到氣溶性射流霧化技術(shù)的研究和報道非常有限，但自激振蕩的理論研究以及其應(yīng)用到其它各種形式射流的研究方法值得借鑒，隨著國內(nèi)外對高壓水射流技術(shù)的研究不斷地深入，無論從理論上還是從實際應(yīng)用上，有關(guān)自激振蕩的研究成果對本項目的研究提供了重要的參考。在理論上，RockwellD和NaudascherE對流體誘發(fā)自激振蕩的原因作出了較為詳細的闡述，指出了流體共振學(xué)說在自激振蕩射流分析的重要地位，并被廣泛接受。King、Boyle、Mortin和Naudascher等學(xué)者對不同剪切層碰撞結(jié)構(gòu)的最大擾動放大模式的振蕩頻率進行了研究，并建立了對應(yīng)頻率的數(shù)學(xué)模型，雖然沒有針對液體的霧化提及自激振蕩霧化，但對建立自激振蕩霧化模型具有重要的指導(dǎo)作用。在應(yīng)用領(lǐng)域，Conn、Chahine，Yoon．KeeKim等人利用振蕩射流對自激振蕩射流噴嘴進行了深入的研究，其研究成果在石油鉆井、深井破巖、去除物體表面稀油等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，取得了一定的成果，并且在應(yīng)用中對自激振蕩外流場水介質(zhì)的動力分析方法在自激振蕩霧化領(lǐng)域同樣起到一定的作用?；诹黧w共振激勵的自激振蕩水射流，對射流振蕩機理的研究主要集中于振蕩腔室內(nèi)脈沖數(shù)的研究，脈沖數(shù)是有許多因子所共同決定，如擾動波的有效反饋條件、剪切流動的穩(wěn)定性、射流裝置的頻率特性等。腔室內(nèi)振蕩數(shù)主要取決于噴嘴腔室內(nèi)碰撞壁的形狀、振蕩腔室長徑比、引起振蕩的擾動波的波速，而且取得了豐碩的研究成果，將其廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，并產(chǎn)生了與其相對應(yīng)的特定條件下的自激振蕩射流模型。但是，將自激振蕩應(yīng)用到液體的霧化鮮有報道，國內(nèi)有部分學(xué)者僅僅從實驗的角度揭示了自激振蕩霧化的效果，而且得到了較為理想的結(jié)果，但目前還沒有對自激振蕩的霧化機理作系統(tǒng)的深入研究；對自激振蕩的霧化的形成和動力學(xué)特性有著重要影響的空化機理、多變量非線性影響因子尚未進行研究；對自激振蕩的霧化模型，內(nèi)部流場的數(shù)值模擬和動力學(xué)特性均未進行系統(tǒng)的研究。本項目研究對高壓水射流理論的完善以及實際生產(chǎn)的應(yīng)用具有重要的地位，特別是是高壓氣液兩相混合射流的清洗機理、單相水介質(zhì)白激振蕩水射流的霧化機理具有開創(chuàng)性的價值，其應(yīng)用將在在國家節(jié)能減排與低碳經(jīng)濟中發(fā)揮重要作用。4技術(shù)路線及研究內(nèi)容4.1研究的主要內(nèi)容本課題研究的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：設(shè)計合理參數(shù)的自振空化清洗噴嘴，采用流體網(wǎng)絡(luò)理論計算其固有頻率；再采用流體仿真軟件構(gòu)建起仿真模型，比較輸入?yún)?shù)（壓力、頻率）對空化效果的影響；并以空化效果為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)輸入?yún)?shù)選擇合適的噴嘴結(jié)構(gòu)。4.2技術(shù)路線主要通過學(xué)習(xí)高壓流體力學(xué)基本理論、查閱動力學(xué)相關(guān)資料、運用FLUENT軟件進行仿真，確定空化射流噴嘴CFD模型并求解。技術(shù)路線如圖所示：明確技術(shù)要求、工作環(huán)境明確技術(shù)要求、工作環(huán)境動力學(xué)分析確定參數(shù)自振空化清洗噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計性能模擬仿真結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖14.3設(shè)計成果的應(yīng)用價值1、本試驗臺可以實現(xiàn)力、振幅、頻率的聯(lián)合測試；2、本試驗臺既可以進行單自由度的振動試驗也可以進行多自由度的振動試驗；3、本試驗臺以絕緣子為基礎(chǔ)研究振動參數(shù)與其機械疲勞和工作壽命的關(guān)系，也可擴展到其他工程材料，具有推廣性和普遍性；4、本試驗臺可通過實驗論證：振動在共振時對工程材料的損害會加??；5、本試驗臺可分析對比檢測力、振幅、頻率分別對工程材料的損害程度。5工作的主要階段、進度（1）2021年11月27日：指導(dǎo)老師與畢業(yè)生見面，向?qū)W生宣布畢業(yè)設(shè)計具體要求及有關(guān)規(guī)定，再親自下達任務(wù)書。（2）2021年11月28日至2022年1月23日：整理收集資料，明確課題任務(wù)，完成兩大件：開題報告（含文獻綜述）和外文翻譯。（3）2022年4月30日前：完成中期報告。（4）2022年5月17日前：完成畢業(yè)設(shè)計（論文）正文：即設(shè)計計算，建模編程、調(diào)試程序，繪圖，編寫畢業(yè)設(shè)計說明書、完成論文結(jié)構(gòu)的設(shè)計和撰寫論文，提交初稿及修改論文，包括：論文提綱、理論分析及計算等。（5）2022年5月18日至5月22日：整理畢業(yè)設(shè)計（論文）資料，完善并提交最終成果。（6）2022年5月25日至29日：教師批閱、評閱畢業(yè)設(shè)計（論文）成果。（7）2022年6月4日至6月9日：畢業(yè)答辯。6最終目標(biāo)及完成時間完成自振空化清洗噴嘴的參數(shù)設(shè)計、仿真模型和輸入?yún)?shù)（壓力、頻率）對空化效果的影響，編寫畢業(yè)設(shè)計說明書，完成論文結(jié)構(gòu)的設(shè)計和撰寫論文，達到設(shè)計出完整的畢業(yè)設(shè)計成果的目標(biāo)。完成時間：2022年5月22日前7現(xiàn)有條件及必須采取的措施現(xiàn)有FLUENT等軟件和與高壓流體相關(guān)的書籍、手冊，可以完成該項課題的研究與設(shè)計。在設(shè)計中必須采取的措施如下：積極收集整理與本課題相關(guān)的資料與文獻，豐富自己的知識，擴大視野；加強對FLUENT等軟件的學(xué)習(xí)，務(wù)必精通，使其應(yīng)用到本課題的設(shè)計過程中；加緊了解高壓流體的相關(guān)知識，為高壓流體實際應(yīng)用設(shè)計做準(zhǔn)備。8協(xié)助單位及要解決的主要問題本課題的完成應(yīng)解決專業(yè)理論知識和實際研究經(jīng)驗缺乏的技術(shù)問題，同時，需要得到三峽大學(xué)機械與動力學(xué)院、三峽大學(xué)工程訓(xùn)練中心、與液壓相關(guān)的企業(yè)等的大力支持和幫助。參考文獻朱萬方.基于柱塞泵動力源的水射流噪聲特性研究[D].華中科技大學(xué),2012.ANSYSFluent航空氣動噪聲解決方案[J].航空制造技術(shù),2012,09:103-104劉士和,劉江等著.工程湍流[M].北京：科學(xué)出版社,2011．馬士群.中國修船行業(yè)現(xiàn)狀分析與對策[J].中外船舶科技,2006,(4):29-30.曹昊翔,張正學(xué).水射流清洗技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及其前景[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2006,(S1):76-80.沈忠厚.水射流理論與技術(shù)[M].東營:石油大學(xué)出版社,1998.陳玉凡.提高水射流噴嘴清洗效率的理論分析[J].清洗世界,2004,20(5):12—15.王春旭.水下湍射流及壁面湍流噪聲預(yù)報方法[D].華中科技大學(xué),2009.王福軍.計算流體動力學(xué)——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.朱紅鈞,林元華,謝龍漢.FLUENT流體分析及仿真使用教程[M].北京:人民郵電出版社,2