摘要：首先介绍了干冰清洗和高压水射流清洗两种物理工业清洗的原理及机理；其次，论述了干冰清洗设备（干冰清洗机、干冰喷射机、干冰喷射清洗机、干冰喷射器、干冰洗模机、模具清洗机）喷枪的核心喷管的设计理论；接着，编制了喷管型线设计计算程序，并用该程序给出了一个算例结果；再次，用FLUENT软件对上述算例进行了数值模拟；最后，对程序计算和数值模拟这两种结果进行了比较分析。

关键词:干冰清洗机喷枪；干冰清洗机喷管；干冰洗模机程序设计；干冰喷射器数值模拟；干冰喷射清洗机；干冰喷射机

1工业物理清洗及机理

1.1干冰清洗简介

干冰喷射清洗又称冷喷，是以压缩空气作为动力和载体，以特点干冰造粒机（干冰制造机、干冰制粒机、干冰粒制机、干冰机、制冰机）制备的干冰颗粒作为被加速的粒子，通过专用的干冰喷射清洗机（干冰清洗机、干冰喷射机、干冰喷射器、干冰洗模机、模具清洗机）喷射到被清洗物体表面，利用高速运动的固体干冰颗粒的运动变化(△mv)、升华、熔化等能量转换，使被清洗物体表面的污垢、油垢、残留杂质等迅速冷冻，从而凝结、脆化、被剥离，且同时随气流清除。不会对被清洗面，特别是不会对金属表面造成任何伤害，也不会影响金属表面的光洁度。

具体清洗过程包括:干冰低温冷冻剥离、吹扫、剥离和冲击剥离。

1.1.1低温冷冻剥离原理

-78.5℃的干冰颗粒作用在被清洗的物体表面时，首先冷冻脆化污物，污物在被清洗的表面上皲裂，由粘弹态变成固态，且脆性增大，粘性减小，使之在表面上的吸附力骤减，同时表面积增大，部分污物可以自动剥离。

1.1.2吹扫剥离

在压缩空气作为动力的环境下，其对脆化了污物产生剪切力，引起机械断裂，由于污物与被清洗物表面低温收缩比差别很大，在接触面处产生应力集中现象，污物在剪切力作用下剥离。

1.1.3冲击剥离

干冰颗粒在压缩空气动力推动下产生动能(E)和冲击力(F):

E=½mv²，式中：m—干冰颗粒质量（kg）；

v—干冰颗粒在压缩空气作用下产生的速率(m/s)。

F·t=m·∆v，∆v=v₁-v₂，式中:m一干冰颗粒质量(kg），

v₁—干冰粒冲击被清洗表面前速率(m/s ) ;，v₂一干冰粒冲击被清洗表面后的速率(m/s);F为冲击力(N);t为冲击时间(s)。

1.2高压水射流清洗

1.2.1以渗透为主的破碎过程

对于水渗透，即水能渗人垢层之间的孔隙，并对垢层颗粒施加压力的各类垢层，当此压力大于颗粒之间的引力时，产生裂纹且一步一步地扩散，后面的射流又直接起压缩、剪切和水楔作用，从而使污垢产生裂缝、凹坑到全部剥落。在这个过程中起决定作用的是水的渗透引起的作用于垢层颗粒上的水压力，当该水压力足够克服垢层颗粒之间的黏着力时，垢层颗粒之间产生裂纹，在后续射流作用下，裂纹扩散、扩张，并逐步成裂缝，使其剥落。裂纹的扩散方向和污垢的渗透方向、污垢结构有关，扩散速度与渗透速度有关。水射流的压缩、剪切和水楔作用也或多或少地促进了污垢破碎，加速污垢剥落，而且污垢破碎、剥落的方向与射流的工作方向有关。

1.2.2直接压缩和剪切为主的过程

对于软黏的渗透性的物料垢，主要是通过水压力直接压缩和剪切引起破碎应力。当该应力按照一定的规律超过垢层的强度极限时，垢层将产生裂纹、裂缝，在后续水射流的水楔等作用

下扩张成坑，最后达到垢层的全部破裂并被冲洗干净。

2干冰喷射清洗机喷枪喷管设计

2.1基本理论

在超音速风洞中，要产生不同马赫数的超音速气流，必须满足三个条件^[1]:一是风洞的上下游必须有足够的压力比，并且压力比随马赫数提高而增大;二是实验段与喉部必须保持一定的面积比，并且面积比随马赫数而变化;三是必须满足一定的流量要求。对于第一个条件，以工作段气流经过正激波直接进人大气的损失计算，则稳定段(即喷管进口)与工作段出口的压力比如表1所示。对于第二个条件，根据等熵流公式(1)

气流在超音速喷管中加速所能达到的马赫数M₂，决定于喷管出口(即工作段)面积A₂和喉部面积A*之比。通过改变面积比就可以得到要求的马赫数。而喉部面积又受到第三个条件流量的限制，根据最大流量可以求得最大喉部面积A*mac

A*mac为最大质量流量，P为喉部空气密度，a为喉部气流速度(音速)。下面分别就喷管的收缩段和扩张段的设计进行说明。

2.2收缩段设计

根据超音速喷管的设计要求，到达喉部的高速流必须是均匀的亚音速，收缩段是将稳定段来的气流均匀加速至音速。经验证明，如果稳定段来流是均匀的，只要稳定段相对于喉部的截面积收缩比足够大，则采用一条光滑连续而有渐变的收缩曲线就能基本满足要求。

收缩段如图1所示。进口处面积为A₁，马赫数为M₁;出口处为喉部面积为A*，马赫数为1。收缩段长为L，从0到1，表示从进口开始的相对距离。设沿轴向的马赫数梯度为dM/dx=Ksinπ²x。当x=0和x=1时，dM/dx-0。表示气流在收缩段进出口处的加速度为零。K为系数，其值取决于气流经过收缩段的马赫数增量。积分上式得:

根据(1)式面积比公式，若A₁和A*给定，则M₁为已知，则由(3)式可计算任意x处的M值，再根据(1)式，可计算出当地截面积，因而收缩曲线可求得。

2.3扩张段设计

根据喷管设计的Foelsch方法，理想气体轴对称喷管扩张段分为如图2所示的三个区域:I区气体是从原点发射出的泉流，II区将泉流整流直到III区，III区气流为具有相同马赫数的平行均匀流。在I区中气流以原点O作为中心，成辐射形泉流，r=r*相当于喉道处的情况,r>r*处是超音速流。各点的速度、马赫数和r的关系为:

a*为喉道音速，利用参考长度r*，参考速度a*进行无因次化:r/r* =R,V/a *=W

给定，空气是理想气体时，γ =1.4，因此α=6，（4）式化为：

可得马赫数M和速度比W之间的关系:

 

若B点马赫数已知，由(6)式得WB，再代人(5)式，可求出B点半径R_B，根据经验,B点马赫数选为比C点马赫数差0.2。

由图2可得:

当W=WB时，所以

对于A点，其位置与选择的最大膨胀角θ_A有关，θ_A又与工作段马赫数有关，其关系如表2所示。

 

将θ_AN等分，根据（7）式、(5)式可得BA线上各点的R值，进而可求出BA线上各点坐标及相应点气流参数。

轴线上原点至B点的速度分布由(5)式给出，而C点的马赫数是设计马赫数。那么，若我们假定，B点和C点的速度分布满足一个三次式:

                     

其中 ，此三次多项式满足的边界条件为:

选定x_c的值，把这些边界条件代人(8)式，经简化得:

这样一来，B点和C点的位置可以定出，参数也已知。而通过C点的左特征线为直线，此特征线上马赫数为设计马赫数。因此特征线端点E容易定出，将AB,BC,CE作为边界条件，利用三元特征线理论就可以求出它们构成的整个特征线网。

2.4特征线法

轴对称喷管中，气流特性是对称于中心轴的，可以只研究通过中心轴的xy平面的流态就决定了整个喷管的流态(从略)。

2.5喷管型线的确定及附面层修正

如果喷管按上述型线加工，而不经过附面层修正，则必然会出现两个间题，一是由于壁面存在粘性附面层，并且其厚度不断增加，因而改变了波系的形状，使达到喷管出口时得不到均匀的气流;二是附面层的存在减小了有效的流通面积，改变了面积比，使喷管达不到设计的马赫数。因此必须对喷管型线加以修正。基于现在附面层理论还不很完善，且计算复杂，工程上常采用一种相对简便的修正方法。它认为位移厚度δ*沿轴向是线性发展的，即存在δ_x*=xtanß，式中δ_x*是x点的位移厚度,ß跟工作段马赫数的值有关，可以按表3取值。虽然方法较为粗糙，但仍能得到相当满意的结果。

3喷管设计程序编制及算例

3.1喷管型线程序编制

喷管计算程序主要由三部分构成，分别为收缩段计算程序、扩张段计算程序和后处理程序。本程序可完成对三元轴对称喷管的设计，得到喷管型线上各点的坐标。

3.1.1扩张段计算程序(略)

3.1.2收缩段计算程序(略)

3.1.3后处理程序(略)

3.2算例

输人吼道半径5mm，出口马赫数2.5,得到如下形式的计算结果如表4所示。

4数值模拟

4.1 FLUENT软件

FLUENT软件是用于计算流体流动和传热问题的程序。它提供的非结构网格生成程序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格;三维的四面体，六面体及混合网格。FLUENT还可以根据计算结果调整网格，这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流场，因此可以节约计算时间。

4.2 Gambit建立模型

利用本文的计算程序，输入喉道半径5mm和马赫数2.5,得出一系列点(x,y,z)。将这些点的坐标导入GAMBIT中，显示各点。将上面各点连接成线，再去除那些点得到一条线(即喷管型线)。

再将上图的曲线绕x轴旋转，并选择个面，并构成体，再画出网格，得出三维网格。(图略)

4.3数值模拟

将网格导人FLUENT软件中，先把在Gambit软件中建立的半个网格对对称面对称一次可以得到整个网格。

其中边界条件设置注意，进口总压设置为6个大气压，出口总压为1个大气压。得出喷管内的马赫数分布，可以看出喉道出的马赫数达到1，并且出口附近的马赫数达到2.51。

5结论

本文编制了相关设计计算程序，并输入喉道半径5mm,输入出口马赫数2.5，得到管道曲线。再用FLUENT进行数值模拟，模拟结果的最高马赫数为2.51。可见，本文的设计计算程序的计算结果与用FLUENT商业软件计算出的结果误差只有0.4%，另外，在马赫数分布图中，马赫数分布非常均匀的沿x轴方向逐渐增加。以上这些结果都充分验证了编制的设计计算程序的正确性与有效性。