飛機機用清洗氣泡發生器性能研究

摘 要：該文基于Fluent數值模擬建立了文丘里管式微氣泡發生器內部流場二維仿真模型，研究了設計參數對氣泡破碎性能的影響特性和相對重要性，輔助優化氣泡發生器結構，為后續適用于飛機機身清洗粒徑和濃度分布的氣泡研究提供理論基礎。模擬結果表明，收縮角和喉管長度對軸向壓力分布影響較小，而喉管直徑和擴張角度對文丘里管擴張段的流場分布、氣液分離效果影響顯著，通過比較壓力損失系數，最終判斷喉管直徑和擴張角度是影響清洗氣泡破碎效果的主要因素。

關鍵詞：材料表面與界面；微納米氣泡；文丘里管；數值模擬；設計參數；飛機表面清洗

中圖分類號：TG 17" " " 文獻標志碼：A

在使用過程中，飛機機身表面會沉積鹽霧、灰塵和油污等外來物，需要進行定期清除工作。由于其工作場景的特殊性，進行清洗的同時需要避免傷害機身涂層，以保證飛機的運行安全。目前，國內以手工清洗和機械清洗這2種傳統方式為主。手工清洗勞動強度大、效率低。機械清洗效率較高，但難以覆蓋復雜部位的污物，一些功能性涂層只能用手工擦拭，會使飛機涂層產生摩擦損傷，導致涂層本身具備的隱身功能失效，因此需要一種柔性、深度而非接觸式的技術來對飛機進行高效清洗。

微納米氣泡清洗是一種新型飛機機身清潔技術，由于小尺寸，與普通氣泡相比具有不同的物化特性，包括水下停留時間較長、比表面積大、表面負電荷以及氣泡坍縮時會生成自由基[1]。通過文丘里管式結構進行含有微納米氣泡的氣液兩相射流的沖洗，可以有效清洗飛機機身的沉積污垢[2]。該氣泡本身具有柔性，在提高清洗效率的同時也可有效避免破壞機身涂層。本文根據文丘里管式微氣泡發生器的結構構造，對不同的結構參數進行了有限元模擬，以此來指導適用于機身的清潔微氣泡發生器的設計。

1 數值計算

1.1 氣泡發生器局部幾何模型

文丘里管氣泡發生器的主要特征是管道水流方向上的管徑先縮小、再擴大，形成了特殊的喉管結構。根據連續性原理，喉部的管徑縮小，水流速增加，形成局部負壓，而在喉部之后，液體的流速會下降，流體的壓力會增加。該氣泡發生器模型由進/出水管段、收縮段、喉管段、發散段以及進氣口組成，整個計算流域如圖1所示。其中固定進、出水管段管徑相同，均為15mm，進氣口位于文丘里管喉管段，其余參數由不同設計參數共同決定，包括收縮角、發散角、喉管管徑和喉管長度。建立的坐標系如圖1所示。

1.2 模型網格劃分和無關性驗證

采用Fluent數值模擬軟件中的前處理模塊SpaceClaim建立流域結構并模型網格進行劃分。網格劃分采用Workbench中的ICEM模塊，本文只需要對趨勢進行考察，而不需要精確的計算結果，因此采用二維模擬以節省時間和計算資源，整體劃分如圖2所示，劃分形式為二維結構化網格。對邊界層和管徑變化大的流域進行網格加密，建立50萬和400萬數量的結構化網格，對50萬和400萬網格進行網格無關性驗證，并計算2種網格數量方案，得到湍流流場的壓力計算結果。結果表明，網格數量與X軸方向上的壓力計算結果差距較小。因此，為了節省計算量，采用50萬數量的網格進行計算。

1.3 數值計算方法和邊界條件設置

本文是包括邊界的管道內的數值模擬，采用優化的壁模型大渦模擬（WMLES S-OMEGA）進行計算[3]，湍流模型選用SST k-ω湍流模型[4]。文丘里管微氣泡發生裝置數值模擬滿足以下控制方程。

首先，大渦模擬的控制方程是將不可壓N-S方程濾波后得到的，分別如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

（2）

式中：ρ為流體密度，kg/m3；P為濾波后的壓強，Pa；ui為濾波后xi方向的速度分量，m/s；Tij為亞格子應力張量。

其次，SSTk-ω模型模擬了文丘里曝氣器內流體的湍流流動。湍流動能k如公式（3）所示，湍流耗散率ε如公式（4）所示。

（3）

（4）

式中：k為平均速度梯度引起的湍流動能；和為i和j方向的平均速度；μt為湍流黏度；σk為湍流動能的普朗特系數；ε為湍流耗散率；σε為湍流耗散率的普朗特系數。

該式為半經驗模型，模型方程中包括經驗參數，其中C1=1.44，C2=1.92，Cμ=0.09。

根據流體試驗數據設置初始流場參數，即材料設置為水，密度為998.2kg/m3，黏度為1.003×10-3Pa·s。壓力邊界條件由文丘里管前端壓力表測得，設置壓力入口為150kPa。為了能夠更直觀地表現壓力場的變化，壓力出口被設為0Pa，回流壓力規范為靜壓。質量流量出口設置為0.0583kg/s，由體積流量計給出并換算。使用COUPLED壓力速度耦合算法，將空間離散化設置梯度為Green-Gauss Node Based，壓力插值方法為PRESTO。動量、湍流動能和湍流耗散率設置為二階迎風格式，并開啟Warped-Face梯度矯正，使用偽瞬態模擬。將時間比例因子設為0.1，推薦值＜0.3。使用混合初始化，并將殘差＜1×10-4作為收斂標準。為避免喉部直徑不同進而導致喉部流速不同，通過連續性方程和入口、喉管的截面積計算出入口的流速，統一將喉部流速設為15m/s[5]。

2 結果與分析

2.1 模擬結果與驗證

入口壓力是影響文丘里管微氣泡發生器內部氣泡破碎性能的一個重要因素。將氣體流量固定在40mL/min，出口壓力固定為80kPa，對不同入口壓力進行數值模擬。從喉管中心處開始，選取在文丘里管內不同部分的氣泡進行受力分析計算，不同x軸處氣泡所受壓力梯度力和剪切應力如圖3所示。在出口壓力保持不變的情況下，隨著入口壓力增加，氣泡所受壓力梯度力和剪切阻力將會增加，這會導致氣泡尺寸變小，濃度數量增多。

結合高速攝像機試驗，驗證上述入口壓力影響下的氣泡粒徑分布變化趨勢，采用POWEREACH的JXWNP-WJS-1型水下在線微米氣泡實時動態觀測系統測量微米氣泡的氣泡粒徑。為了研究純氣體而非文丘里管自身空化效應產生的微米氣泡，將文丘里管出口壓力調整到40kPa以上，使喉部壓力值高于大氣壓力，使水中溶解的氣體不能從水中析出，避免喉管部空化效應對試驗結果的影響。使用氣泵向吸氣管中通入空氣來產生微米氣泡。不同入口壓力條件下的粒徑分布結果如圖4所示。隨著入口壓力從150kPa增至400kPa，氣泡的平均直徑從61.46μm減至51.36μm。從圖4（a）上來看，在出口壓力不變的情況下，入口壓力越大，氣泡概率密度分布向小粒徑方向偏移，小氣泡的頻數趨向于增加，大氣泡的頻數趨向于減少。從圖4（b）可以看出，隨著壓力從150kPa增至400kPa，氣泡的D50直徑從54.80μm減至45.90μm，壓力越高，累計分布越快到達100%，說明氣泡直徑趨向于變小。計算氣泡濃度，見表1。進氣流量不變時，隨著入口壓力增加，水流量會增加，氣泡數量增多，與不同入口壓力下的數值模擬氣泡受力分析的結果具有一致性。

表1 不同入口壓力下的氣泡濃度

入口壓力（kPa） 流量（L/min） 個/cm2

150 3.7 112

200 4.9 165

300 6.7 120

400 8.1 221

2.2 不同尺寸設計參數下的仿真模擬分析

文丘里管式氣泡發生器在不同的幾何設計參數條件下生成的微米氣泡粒徑分布與個數濃度具有明顯不同，這些幾何參數包括收縮角度、喉部長度、擴張角度以及喉部直徑。如圖5所示，本文設置了16個工況，對每個參數4種變化來進行模擬。由于氣泡破裂主要發生在喉管段和后段擴散部分，局部負壓在一定程度上決定了微氣泡的發生效果，因此對不同因素變化下的壓力沿x軸方向的變化場進行分析[6]。

圖5（a）展示了不同喉部直徑下流場的壓力分布圖。隨著喉管直徑縮小，入口端所需的壓力急劇上升，喉管直徑越小，逆壓力梯度就越大。該結果表明直徑比的變化能顯著影響流場分布，尤其是擴張段內的流場，該段區域是氣泡破裂主要的發生地。

圖5（b）為不同擴張角下流場的壓力分布圖。隨著擴張角增大，達到同一流速所需的入口壓力顯著提高。在擴張段，水流先以射流的形式流出喉部，然后逐漸擴大，逆流充滿整個擴張段。射流與回流接觸的部分會產生較大的渦旋，導致能量耗散和壓力損失增加。隨著擴張角度增大，分離現象越明顯。在流量一定的情況下，喉管處的負壓隨角度的增大而降低。因此擴張角對氣泡破碎具有決定性的影響。

圖5（c）展示了不同喉管長度下流場的壓力分布圖。隨著喉管長度增加，進口端的壓力也增加，這是為了克服喉部長度增加所產生的額外水頭。喉部長度越短，產生的負壓越大。原因是收縮段與喉管入口交界處會產生渦旋，形成的負壓影響范圍隨喉管長度的縮短而擴大。但從整體來看，喉管長度變化對流場影響不大。

圖5（d）為不同收縮角下流場的壓力分布圖。隨著收縮角度增加，達到喉部同一速度所需的入口壓力增加，這是為了克服收縮段的水頭損失。但從總體來看，收縮角對流場的差異影響變化不大。

壓力損失系數如公式（5）所示。

（5）

壓力損失系數定義為整體壓力損失與壓力能在喉部轉化為動能的比值，可通過公式（5）計算。公式（5）判斷發生裝置用來克服水頭損失所消耗的壓力能，其余部分壓能被轉化為喉部的動能。比值越低，說明轉化為動能的效率越高，壓力損失越小。采用壓力損失系數對不同尺寸設計參數下喉管部的能量轉換進行分析，以判斷幾何參數對氣泡產生影響的相對重要性。

不同尺寸設計參數下的壓力損失系數如圖6所示。在圖6中，將4個變量的最小值設為1，其他參數轉化為最小值的倍數。可以發現，隨著收縮角度增加、喉管直徑變小、喉管長度增加和擴張角度增加，壓力損失系數逐漸升高。從斜率的變化趨勢可以看出，喉管直徑與擴張角對壓力損失系數的影響變化最大。這表明喉管直徑與擴張角對文丘里管內流場的影響較顯著。

3 結論

采用高速攝像機并結合圖像后處理技術計算氣泡粒徑分布，在氣體流量為40mL/min、出口壓力為80kPa的不同入口壓力工藝參數下，拍攝計算所得粒徑分布變化與模擬受力分析結果一致，模型可用于指導不同設計參數下的氣泡破碎數值分析。

4種不同設計參數對機用清洗氣泡發生器的性能影響存在差異。其中不同收縮角和喉管長度對入口壓力影響不大，而喉管直徑越小，擴張角度越大，入口壓力也會越大，具有更好的氣泡破碎效果。

喉管直徑與擴張角對壓力損失系數影響效果顯著，表明通過改變喉管直徑和擴張角的大小，可有效改變文丘里管內部流場分布結構，從而優化內部渦流對氣泡的剪切作用。

參考文獻

[1]胡鈞.微納米氣泡領域的春天已悄悄來臨[J].凈水技術，2021，40（2）：1.

[2]顏攀，黃正梁，王靖岱，等.文丘里氣泡發生器的氣泡尺寸及分布[J].浙江大學學報（工學版），2017，51（10）：2070-2076.

[3]張濤，朱曉軍，彭飛，等.近壁面處理對湍流數值計算的影響分析[J].海軍工程大學學報，2013，25（6）：104-108.

[4]陳永輝，王強，樸明波.湍流模型的發展及其研究現狀[J].能源與環境，2009，93（2）：4-6，21.

[5]陶文銓.數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，2001.

[6]邵梓一，張海燕，孫立成，等.文丘里式氣泡發生器內氣泡破碎機制分析[J].化工學報，2018，69（6）：2439-2445.