靜電消除器微噴嘴出氣量的多少和空氣速度,直接決定其一次電離出的正負(fù)離子數(shù)量和運(yùn)送離子的能力,從而決定了其除靜電的能力。因?yàn)槲娮斐鰵饪陂g隙只有幾十微米,因此用粒子圖像測(cè)速法研究其工作流場(chǎng),存在著很大堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。在此通過(guò)數(shù)值仿真方法對(duì)微噴嘴工作流場(chǎng)進(jìn)行了分析,利用射流截面能量密度和信息熵對(duì)微噴嘴的射流截面進(jìn)行了能量均勻性的定量分析研究,并發(fā)現(xiàn)微噴嘴出氣間隙對(duì)空氣動(dòng)能密度分布和信息熵影響明顯;小間隙噴嘴更聚能,但能量損失也更大,為后續(xù)進(jìn)一步設(shè)計(jì)和優(yōu)化微噴嘴性能提供了可靠的定量評(píng)估指標(biāo)。
【部分圖文】：

靜電消除器的噴嘴需要具有加速空氣運(yùn)送離子的功能,為此借鑒著名的拉瓦爾噴嘴進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。如圖1為靜電消除器微噴嘴剖面示意圖,最小出氣口在圖中下部電極針和外殼配合間隙最小部位,為圓環(huán)狀。拉瓦爾噴管是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)最常用的構(gòu)件,由2個(gè)錐形管構(gòu)成,噴管的前半部是由大變小向中間收縮至噴管喉部,稱(chēng)為收縮管,喉部之后又由小變大向外擴(kuò)張,稱(chēng)為擴(kuò)張管。拉瓦爾噴管的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖2所示,其原理為空氣經(jīng)過(guò)噴管向后運(yùn)動(dòng),進(jìn)入噴管截面A1。在這一階段,空氣運(yùn)動(dòng)遵循“流體在管中運(yùn)動(dòng)時(shí),截面小處流速大,截面大處流速小”的原理,氣流不斷加速。當(dāng)?shù)竭_(dá)窄喉時(shí),流速已經(jīng)超過(guò)了音速。而跨音速的流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)卻不再遵循“截面小處流速大,截面大處流速小”的原理,而是恰恰相反,截面越大,流速越快。在截面A2,空氣速度被進(jìn)一步加速,能達(dá)到超音速。拉瓦爾噴管實(shí)際上起到“流速增大器”的作用[8-9]。圖2 拉瓦爾噴管的結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 微噴嘴剖面示意圖微噴嘴因最小出氣口為環(huán)帶狀,寬度在幾十微米到幾百微米,因此實(shí)際上氣體在出氣口之前速度已基本降為0,在此積蓄了很高的壓力,通過(guò)最小口徑處將立即膨脹加速。在微型噴嘴整個(gè)流道中,在最小口徑處能量損失達(dá)到最大。微噴嘴的能量損失與其材質(zhì)、內(nèi)壁表面質(zhì)量、內(nèi)腔型線(xiàn)等有著極大的關(guān)系。因本課題主要研究空氣通過(guò)微噴嘴后,在外部流場(chǎng)的特性,因此對(duì)內(nèi)流場(chǎng)不做過(guò)多說(shuō)明。微噴嘴外部射流直接作用于工件,射流的均勻性,速度等都與作用效果有著密切的聯(lián)系,因此對(duì)外流場(chǎng)進(jìn)行深入的研究具有重要的意義。

考慮噴嘴的實(shí)際工況和紊流射流結(jié)構(gòu)等基本因素,又因主要進(jìn)行外部射流研究,故對(duì)實(shí)際研究模型進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化。根據(jù)前人研究文獻(xiàn),射流結(jié)構(gòu)一般分為初始段、過(guò)渡段和主體段。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,并考慮到射流的充分發(fā)展和膨脹,整個(gè)射流長(zhǎng)度按照40倍出氣間隙外圓環(huán)直徑d來(lái)估算,取射流總研究高度為45d,故建立微噴嘴的流場(chǎng)模型如圖3所示。流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算采用ANSYS 軟件CFX模塊,采用納維-斯托克斯方程(Navier-Stokes)方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。采用非滑移和絕熱壁面,工作介質(zhì)為理想氣體。網(wǎng)格劃分是采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,壁面率Y+控制在10以?xún)?nèi),并對(duì)網(wǎng)格的獨(dú)立性進(jìn)行了驗(yàn)證。在對(duì)微噴嘴流場(chǎng)模型進(jìn)行了網(wǎng)格設(shè)置后,計(jì)算得到微噴嘴流場(chǎng)網(wǎng)格模型如圖4所示�？紤]到模型尺寸在整個(gè)范圍內(nèi)相差較大,故在模型最小出氣口處采用密度盒進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,如圖5所示網(wǎng)格局部加密。本課題共建立3種不同出氣間隙的噴嘴模型,分別為:1#微噴嘴出氣單邊間隙0.083 mm,2#微噴嘴出氣單邊間隙0.203 mm,3#微噴嘴出氣單邊間隙0.503 mm。由于噴嘴出氣最小間隙只有幾十微米,故現(xiàn)有設(shè)備難以進(jìn)行射流形態(tài)的模擬和準(zhǔn)確測(cè)量,故利用有限元仿真軟件對(duì)噴嘴流場(chǎng)進(jìn)行仿真,提取數(shù)據(jù),進(jìn)行射流截面能量分布的定量分析研究。
【相似文獻(xiàn)】

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