《機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化開題報(bào)告4800字》

PAGE7自激條件下空化清洗噴嘴的動(dòng)態(tài)模擬及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1課題來(lái)源各類船舶、水下設(shè)施在長(zhǎng)時(shí)間的工作中，會(huì)形成厚厚的垢底，產(chǎn)生不利影響，需要進(jìn)行及時(shí)清洗。空化射流清洗技術(shù)是利用汽蝕原理，在噴嘴出來(lái)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(zhǎng)大，當(dāng)射流沖擊到靶材表面或附近時(shí)發(fā)生潰滅，從而使靶材引起汽蝕破壞，以達(dá)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(shí)，由于其具有高效、環(huán)保等特點(diǎn)，對(duì)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(lái)越受到各國(guó)學(xué)者的青睞，各種先進(jìn)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(shí)用于大型機(jī)械設(shè)備的清洗，而且對(duì)于精密儀器的清洗瞳川，效果同樣顯著。實(shí)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(diǎn)，而且安全可靠。然而，對(duì)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(shí)，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(jī)理，進(jìn)而能提高清洗效率。因次，霧化技術(shù)的發(fā)展對(duì)于本研究具有指導(dǎo)性的作用。20世紀(jì)80年代初，A．H．Lefebvre提出了一種新型射流方式一氣動(dòng)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(dòng)，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(jìn)一步破碎成為更加細(xì)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(lì)，采用超聲波、靜電場(chǎng)等特殊霧化方式對(duì)液體進(jìn)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(guò)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(duì)氣溶性射流的噴嘴進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，并做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，找到了對(duì)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(dòng)力使得液體霧化，而沒(méi)有從水介質(zhì)自身尋找突破，而且依靠細(xì)化水介質(zhì)噴管直徑的代價(jià)來(lái)提高水流霧化效果很容易造成管道的堵塞，并且設(shè)計(jì)加工成本高，不能以最優(yōu)的方式解決上述問(wèn)題。以氣液兩相射流為代表的節(jié)水技術(shù)依靠許多細(xì)孔狀水流管口對(duì)水介質(zhì)進(jìn)行霧化處理，復(fù)雜的細(xì)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(lái)的射霧化效果較差，節(jié)水能力有限，對(duì)于具有復(fù)雜孔隙物體的清洗不徹底，進(jìn)而造成清洗效果不佳。為此，本項(xiàng)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(guò)水介質(zhì)依靠自身動(dòng)力進(jìn)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(shì)，將水介質(zhì)充分霧化，不僅使清洗設(shè)備大大簡(jiǎn)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(dòng)壓力段將連續(xù)的水射流分割成為許多均等的微細(xì)部分，待通過(guò)擴(kuò)張的噴嘴后，脈動(dòng)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(shí)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(jìn)一步的破碎，細(xì)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(shì)3.12水射流的研究現(xiàn)狀高壓水射流技術(shù)是以實(shí)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(guó)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(gè)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(dòng)機(jī)組件及螺旋槳的難題也被watson攻克。飛機(jī)表面的銹蝕會(huì)嚴(yán)重影響飛行安全和飛機(jī)壽命，Peng采用理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，成功研制出壓力高達(dá)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(duì)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(gè)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。總的來(lái)說(shuō)，在清洗效率方面，前混合式磨料射流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比后混合式的磨料射流清洗效率高。在借助高壓水射流來(lái)清洗管道污垢方面，Tylor作出了杰出貢獻(xiàn)，他詳細(xì)解釋了高壓水射流使污染物脫離的原因；在大量實(shí)際工作基礎(chǔ)上總結(jié)出了高壓水射流清洗的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)；在他經(jīng)過(guò)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(shuō)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(yàn)公式。Han在大量實(shí)驗(yàn)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(guó)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(jī)械被Palm研制出來(lái)。眾所周知，海水銹蝕海底機(jī)構(gòu)是十分困難的，但是清除海水銹蝕的專用高壓清洗機(jī)器被Heenev經(jīng)過(guò)多年攻堅(jiān)成功研制。在清洗儲(chǔ)水水箱上，Anon在專門研究對(duì)合成樹脂等有機(jī)物的清洗。在機(jī)械生產(chǎn)工藝上，卞致瑞經(jīng)過(guò)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(guó)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(duì)射流噴出噴嘴之后的運(yùn)動(dòng)機(jī)理以及射流與靶物的相互作用機(jī)理做了相關(guān)的研究，而很少去研究射流內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)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(bào)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(guó)內(nèi)外對(duì)高壓水射流技術(shù)的研究不斷地深入，無(wú)論從理論上還是從實(shí)際應(yīng)用上，有關(guān)自激振蕩的研究成果對(duì)本項(xiàng)目的研究提供了重要的參考。在理論上，RockwellD和NaudascherE對(duì)流體誘發(fā)自激振蕩的原因作出了較為詳細(xì)的闡述，指出了流體共振學(xué)說(shuō)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(duì)不同剪切層碰撞結(jié)構(gòu)的最大擾動(dòng)放大模式的振蕩頻率進(jìn)行了研究，并建立了對(duì)應(yīng)頻率的數(shù)學(xué)模型，雖然沒(méi)有針對(duì)液體的霧化提及自激振蕩?kù)F化，但對(duì)建立自激振蕩?kù)F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(duì)自激振蕩射流噴嘴進(jìn)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(duì)自激振蕩外流場(chǎng)水介質(zhì)的動(dòng)力分析方法在自激振蕩?kù)F化領(lǐng)域同樣起到一定的作用?；诹黧w共振激勵(lì)的自激振蕩水射流，對(duì)射流振蕩機(jī)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(dòng)波的有效反饋條件、剪切流動(dòng)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(zhǎng)徑比、引起振蕩的擾動(dòng)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(gè)領(lǐng)域，并產(chǎn)生了與其相對(duì)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(bào)道，國(guó)內(nèi)有部分學(xué)者僅僅從實(shí)驗(yàn)的角度揭示了自激振蕩?kù)F化的效果，而且得到了較為理想的結(jié)果，但目前還沒(méi)有對(duì)自激振蕩的霧化機(jī)理作系統(tǒng)的深入研究；對(duì)自激振蕩的霧化的形成和動(dòng)力學(xué)特性有著重要影響的空化機(jī)理、多變量非線性影響因子尚未進(jìn)行研究；對(duì)自激振蕩的霧化模型，內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬和動(dòng)力學(xué)特性均未進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本項(xiàng)目研究對(duì)高壓水射流理論的完善以及實(shí)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(jī)理、單相水介質(zhì)白激振蕩水射流的霧化機(jī)理具有開創(chuàng)性的價(jià)值，其應(yīng)用將在在國(guó)家節(jié)能減排與低碳經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重要作用。4技術(shù)路線及研究?jī)?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(gè)方面：設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)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(guò)學(xué)習(xí)高壓流體力學(xué)基本理論、查閱動(dòng)力學(xué)相關(guān)資料、運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)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(dòng)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(jì)性能模擬仿真結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖14.3設(shè)計(jì)成果的應(yīng)用價(jià)值1、本試驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)力、振幅、頻率的聯(lián)合測(cè)試；2、本試驗(yàn)臺(tái)既可以進(jìn)行單自由度的振動(dòng)試驗(yàn)也可以進(jìn)行多自由度的振動(dòng)試驗(yàn)；3、本試驗(yàn)臺(tái)以絕緣子為基礎(chǔ)研究振動(dòng)參數(shù)與其機(jī)械疲勞和工作壽命的關(guān)系，也可擴(kuò)展到其他工程材料，具有推廣性和普遍性；4、本試驗(yàn)臺(tái)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證：振動(dòng)在共振時(shí)對(duì)工程材料的損害會(huì)加?。?、本試驗(yàn)臺(tái)可分析對(duì)比檢測(cè)力、振幅、頻率分別對(duì)工程材料的損害程度。5工作的主要階段、進(jìn)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(jì)具體要求及有關(guān)規(guī)定，再親自下達(dá)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(bào)告（含文獻(xiàn)綜述）和外文翻譯。（3）2022年4月30日前：完成中期報(bào)告。（4）2022年5月17日前：完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）正文：即設(shè)計(jì)計(jì)算，建模編程、調(diào)試程序，繪圖，編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書、完成論文結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jì)算等。（5）2022年5月18日至5月22日：整理畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(píng)閱畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)間完成自振空化清洗噴嘴的參數(shù)設(shè)計(jì)、仿真模型和輸入?yún)?shù)（壓力、頻率）對(duì)空化效果的影響，編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書，完成論文結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和撰寫論文，達(dá)到設(shè)計(jì)出完整的畢業(yè)設(shè)計(jì)成果的目標(biāo)。完成時(shí)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(cè)，可以完成該項(xiàng)課題的研究與設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)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(xiàn)，豐富自己的知識(shí)，擴(kuò)大視野；加強(qiáng)對(duì)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(jì)過(guò)程中；加緊了解高壓流體的相關(guān)知識(shí)，為高壓流體實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。8協(xié)助單位及要解決的主要問(wèn)題本課題的完成應(yīng)解決專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)際研究經(jīng)驗(yàn)缺乏的技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)，需要得到三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)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(xiàn)朱萬(wàn)方.基于柱塞泵動(dòng)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(dòng)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(guó)修船行業(yè)現(xiàn)狀分析與對(duì)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(yíng):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(bào)方法[D].華中科技大學(xué),2009.王福軍.計(jì)算流體動(dòng)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