高壓脈沖氣體沖擊除垢技術(shù)及數(shù)值模擬

余少陽，楊云川，喬相信

(沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧沈陽110159)

國內(nèi)清洗管道內(nèi)壁目前主要有五種方法:振動法、化學(xué)法、機(jī)械法、襯裝法和磁場法。既能清管又能防腐的技術(shù)主要是二種:機(jī)械法和襯裝法［1］。這二種方法又存在難以克服的四大難題:管道轉(zhuǎn)彎;盡道變徑;管道垂直;小口徑管道?，F(xiàn)在已研究出一種新方法——高壓脈沖氣體沖擊除垢技術(shù)［2］。此技術(shù)既能較好的繼承原有除垢方法的優(yōu)點，還能克服其缺點。本文基于Matlab和Ansys對此技術(shù)除垢過程中射流的特性及除垢效果進(jìn)行仿真，直觀反映出該項技術(shù)的工作原理和可行性，并為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和除垢目標(biāo)選取提供理論依據(jù)，避免和減少因大量實驗帶來的人力和物力損失。

1 脈沖氣體沖擊除垢技術(shù)

脈沖氣體沖擊除垢的機(jī)理是依靠氣流在管路內(nèi)形成的強(qiáng)噴射力和多頻振蕩波，從而達(dá)到清洗目的。其特點是:1)不受管路走向分布復(fù)雜的限制;2)不使用任何化學(xué)清洗劑，對水質(zhì)無污染;3)作業(yè)距離長、效率高，一次清洗管網(wǎng)可達(dá)800～1000m;4)操作簡單，不破壞管網(wǎng)系統(tǒng)。

當(dāng)脈沖氣體沖擊到污垢表面并處于高壓區(qū)時，氣泡迅速凝結(jié)，瞬時破滅，氣泡附近的水質(zhì)點高速向氣泡中心集中，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，并伴有氣蝕作用產(chǎn)生。沖擊力隨脈沖傳播呈周期性變化，沖擊力達(dá)到峰值時，管道受力最大，沖擊力隨之由大到小，再由小變大，周期性變化，物體表面則因為沖擊疲勞而受到損傷，一直到管道垢物剝落為止。這種狀態(tài)下氣流在管道中的流動表現(xiàn)為湍流，質(zhì)點的運動很不規(guī)則、互相碰撞混摻，速度和壓強(qiáng)在空間和時間上具有隨機(jī)的脈動性質(zhì)，湍流的切應(yīng)力增大，計算公式如下［2］。

式中:τ為切應(yīng)力;μ為粘性系數(shù);η為湍動粘性系數(shù);du/dy為速度梯度。

2 高壓脈沖氣體自動沖擊除垢裝置

根據(jù)管道除垢技術(shù)和工程應(yīng)用的特點，設(shè)計的高壓脈沖氣體沖擊除垢裝置如圖1所示。

圖1 高壓脈沖氣體沖擊除垢裝置

該裝置由左堵1、墊片2、連接螺栓3、密封圈4、活塞5、右堵6和活塞密封7組成。在右堵6內(nèi)部裝有快速作用的活塞5，用以保障裝置的工作特性。外殼尾部的氣體傳送連接器接通壓縮氣體?；钊?的軸向設(shè)有氣體通道，用以連接左堵1內(nèi)部容腔和氣體傳送連接器。在通道內(nèi)部設(shè)有氣體射流校準(zhǔn)孔，用以控制容腔的充氣速度和沖擊除垢裝置的工作頻率。

容腔體積Vd為一個Φ30mm×100mm的圓柱體;射流孔為等效面積直徑Φ4mm的圓孔;活塞內(nèi)氣體通道為一個Φ4mm的通孔;活塞前部等效面積是Φ28mm的圓面;活塞后部等效面積是Φ17mm的圓面面積;活塞行程8mm;充氣氣壓P1為10MPa;外部壓力P0為0.1MPa。

工作時，壓力為1～10MPa的氣體由設(shè)備右端進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，推動活塞向左端運動，密封右堵上的氣體出口孔，使得左堵中的氣室壓力升高，當(dāng)壓力達(dá)到一定時推動活塞向右運動并打開排氣孔，沖擊管道中的污垢。當(dāng)氣室壓力下降到一定值后，活塞自動向左移動關(guān)閉排氣孔，氣室壓力升高，然后活塞再次向右移動打開排氣孔，沖擊管道中的污垢。以此往復(fù)，達(dá)到自動沖壓、除垢的目的。

3 除垢過程的流動數(shù)值模擬

氣體自動沖擊除垢裝置在管道中的工作過程如圖2所示。工作時，通過移動位于管道內(nèi)的除垢裝置，達(dá)到除垢目的。

圖2 氣體自動沖擊除垢裝置工作過程

3.1 活塞運動簡化模型

該除垢裝置按照以下方式工作。工作氣體經(jīng)過高壓管路從氣源經(jīng)過傳送連接器進(jìn)入外殼部分(活塞5后)，在壓力作用下，活塞5向前運動并封閉連接體上Φ16mm的通孔。氣體沿活塞內(nèi)部通道進(jìn)入容腔部分，容腔內(nèi)氣壓逐漸上升，最終將超過活塞后部的壓力。此時，活塞開始向后運動并打開容腔后部通道，工作氣體以高速從12個Φ4mm小孔噴出，噴出的氣體作用在工作表面(除垢的目標(biāo)面)以達(dá)到除垢目的。容腔氣體釋放后，容腔內(nèi)部壓力再次降低，活塞再次向前運動，工作過程繼續(xù)。

3.1.1 充氣過程

充氣過程活塞受力情況可分為兩個狀態(tài)。充氣狀態(tài)1活塞受力如圖3所示，活塞處于平衡狀態(tài)，于是:P2A2+N=P1A1，其中:A1、A2分別為活塞端面面積;P1為工作壓力;P2為左堵容腔壓力。由于P1保持不變，P2不斷增大，導(dǎo)致壁面支持力N逐漸減小;直至N為0時，活塞開始具有向右運動趨勢，進(jìn)入充氣狀態(tài)2。

圖3 充氣狀態(tài)1活塞受力

充氣狀態(tài)2活塞受力如圖4所示。將充氣容腔簡化為一個體積為Vd的容器，其內(nèi)部壓力為P2，外部壓力為P0?；钊仁艿奖诿骒o摩擦力f的作用，暫處平衡狀態(tài):P2A2=P1A1+f0。隨著P2的增大，摩擦力達(dá)到最大靜摩擦后，活塞向右方運動，其所受合力大小為F=P2A2-P1A1-f1，其中:f為摩擦力;f0為靜摩擦;f1為滑動摩擦。當(dāng)進(jìn)氣室內(nèi)的壓力達(dá)到所需的工作壓力時充氣過程結(jié)束。

圖4 充氣狀態(tài)2活塞受力

3.1.2 排氣過程

充氣過程即將結(jié)束時，活塞向右后部運動，直至打開放氣口，開始進(jìn)入排氣階段。此時活塞受力為 F=P2A2-P1A1-f1，此時 P2大于 P1，A2遠(yuǎn)大于A1，所以活塞將被推向進(jìn)氣室。當(dāng)推動行程大于活塞頭的端面高度時，氣壓將作用到活塞朝向排氣室一側(cè)的整個端面上，使活塞受到的指向進(jìn)氣室一側(cè)的壓力值迅速增大，加速活塞向右的行動速度。在此作用下排氣孔將被打開，存儲于排氣室一側(cè)的高壓空氣將從排氣孔中以射流的形式向外噴發(fā)，噴發(fā)過程中由于氣體的背壓比很高，且排氣道的結(jié)構(gòu)可被視為收縮擴(kuò)張型，所以排出的氣體將在較小的一段時間內(nèi)達(dá)到音速，與此同時會伴生有一道正激波。在排氣室內(nèi)壓力降低到一定的數(shù)值后整個系統(tǒng)轉(zhuǎn)入復(fù)位過程。

3.2 參數(shù)設(shè)計及過程模擬

各種氣動閥在氣動系統(tǒng)中都是氣阻要素，流量特性上基本可將其等價為一個小孔，并用小孔的流量特性來表示其流量特性。以圖5所示的小孔為對象，討論壓縮空氣流經(jīng)它時的特性。小孔的上流壓力P2保持一定時，隨著降低下流壓力P0，質(zhì)量流量G逐步增大;但降到一定值時，即使再降壓力P0，G不再增加而趨于飽和。這是由于空氣流速在小孔后側(cè)達(dá)到聲速，其后壓力的降低信息不能傳達(dá)給上流。這種飽和狀態(tài)下的流動稱為聲速流，亦稱為壅塞流，而不飽和狀態(tài)下的流動稱為亞聲速流。

圖5 流經(jīng)小孔的氣流

由于空氣流經(jīng)小孔時與管壁接觸面小、流動快，可考慮為一維等熵流動。根據(jù)伯努利方程，圖5中縮流處的流速u0可用如下公式計算:

式中，κ為空氣的比熱，ρ2為空氣密度。因是等熵流動，將絕熱過程公式代入替換密度ρ0，可得流經(jīng)小孔的質(zhì)量流量

式中:R為空氣的氣體常數(shù);θ2為壓力空氣上流的絕對溫度;Se為氣流縮流處的截面積。這里Se稱為小孔的有效截面積。Se比小孔截面積S小，兩者的比

α稱之為縮流系數(shù)?？s流系數(shù)根據(jù)小孔入口的形狀及尺寸而不同，一般取值在0.85～0.95的范圍內(nèi)。

當(dāng)式(3)值變?yōu)樽畲髸r，即流量達(dá)到飽和，此時的圧力比P0/P2即臨界壓力比。由式(3)的最大值條件可得臨界壓力比為

壓力比P0/P2比臨界壓力比小時，流動為聲速流。將臨界壓力比代入式(3)，可得聲速流的流量，即飽和流量

整理式(3)和式(6)，可得流經(jīng)小孔的一維等熵流動的質(zhì)量流量的精確計算公式為

其中

聲速流時的Φ為常數(shù)，用KG來表示:

亞聲速流時的Φ為壓力比的函數(shù)，計算較為復(fù)雜，為此，對亞聲速流時的Φ通常采用以下的近似公式計算:

如將式(9)中的壓力比P0/P2設(shè)為0.5，可看出Φsubsonic等于KG，即流量達(dá)到飽和。將臨界壓力比近似設(shè)為0.5，把式(9)代入式(7)，可得流經(jīng)小孔的一維等熵流動的質(zhì)量流量的近似計算公式［3］

3.3 模擬結(jié)果

氣缸的動態(tài)仿真模型在氣缸活塞運動的仿真系統(tǒng)中，氣流的聲速段和非聲速段的條件選擇微分方程組的約束條件，通過SIMULINK的二維開關(guān)Switch實現(xiàn)［4］。在仿真中采用實際試驗參數(shù)，基本數(shù)據(jù):工作壓力Ps=554550N/m2(5個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓);A1=0.001963m2;A2=0.001762m2;L=0.125m;Ts=293K;b1=0.425(充氣腔臨界壓力比);b2=0.43(排氣腔臨界壓力比);κ=1.4(空氣絕熱指數(shù));R=287Nm/(kg·K)(干空氣的氣體常數(shù))。根據(jù)參數(shù)關(guān)系，建立仿真模型，得到活塞工作過程的壓力P2變化情況，如圖6所示。

由仿真結(jié)果可以看出，容腔內(nèi)部壓力P2基本在3.4～4.7MPa之間呈周期性變化，即該裝置實現(xiàn)了壓力的脈沖變化過程，而且P2/P1和P0/P2均小于臨界壓力比0.5，即氣體充放氣過程中射流均為音速流，噴管中射流流量保持最大值。

圖6 容腔內(nèi)部壓力變化

4 除垢過程的瞬態(tài)動力學(xué)數(shù)值模擬

為對除垢效果進(jìn)行評估，利用Ansys軟件建立模型，選用Lagrange方法，用TARGE169單元模擬目標(biāo)面，用CONTA172單元模擬接觸面，進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析。該裝置工作時的氣流流動、受力以及結(jié)構(gòu)都具有軸對稱的特點，故建立軸對稱模型，模擬結(jié)果如圖7所示［5］。

圖7 氣流混合物流動模擬結(jié)果

以壓縮空氣和磨料為工作介質(zhì)，壓力水帶動細(xì)小磨料顆粒形成帶壓混合體;以壓縮空氣為驅(qū)動力，壓縮空氣通過脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖，并在水氣混合器內(nèi)形成混合體加氣團(tuán)為順序的高速脈動流體。這種高速脈動流體在被清洗管道內(nèi)傳播，對管線內(nèi)壁進(jìn)行沖擊和振蕩，產(chǎn)生沖蝕、磨削、氣蝕、水錘、剪切應(yīng)力等多種作用，促使附著在管壁上的結(jié)垢沉淀物逐漸松弛，直至最后脫落，并隨水氣流從管線末端排污口排出。

5 結(jié)束語

通過Matlab對除垢過程進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果表明，活塞工作過程中容腔內(nèi)部壓力呈周期性變化，且充放氣過程中產(chǎn)生的射流均為音速流。利用Ansys軟件建立模型，對除垢效果進(jìn)行評估，更加直觀反映出高壓脈沖氣體沖擊除垢技術(shù)的可行，且操作簡單，環(huán)保節(jié)能。

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