气动系统内部结露的机理研究

第 �� 卷第 �� 期 � � � � 年 � � 月 机 械 工 程 学 报 �� � � �� �� � � � � � �� � � ��� !∀�# ∃ � ��� � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 气动系统内部结露的机理研究 关 李 军 王祖温 包 钢 �哈尔滨工业大学气动技术中心 哈尔滨 ��� � � �� 摘要 � 以容积固定的气动充放气系统为研究对象 , 利用 空气动力学 、热力学 、 凝结 理论和 气悬浮体理论等对内部结 露进行 了研究 , 揭示了内部结露的机理 。 并利用模糊数学的思想 , 综合各种影响因素给出了系统发生结露 可能性 的公式 。 叙词 � 气动系统 内部结露 均匀凝结 沉积 中图分 类号 � � � � � � 前言 随着气动系统 向小型化 、高速化方向的发展 , 使 原来 比较完善的气动技术 出现了新 的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 , 这就是 气动系统 的结露问题 。 气动系统的结露尤其是内部 结露对系统性能和元件寿命造成很 大的影响 , 所 以 正确判别结露的发生 、 提出防止发生结露 的 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 已 成为一个重要 的课题 。 本文以气动充放气系统为研 究对象 , 首先建立 了系统的一维非定常流动数学模 型 , 并对其求得数值解 。 其次利用均匀凝结理论 , 计 算出在放气过程中水蒸气在容器和管路 内的凝结情 况 。 然后利用气悬浮体理论提 出微小水滴在气动充 放气系统 内有三种沉积方式 , 并计算出了在放气过 程中能够沉积在系统中的水滴量 。 最后利用模糊数 学的思想 , 综合各种影响因素给 出了系统发生结露 可能性的公式 。 ��� 所研究的气体为理想气体 。 �� �容器 内的压力 、温度和密度是均匀分布的 。 �� 管路 中每个网格 内压力 、温度和密度是均匀 分布的 。 ��� 压缩空气经过节流 口的流动为等墒流动 。 �� �忽略重力的影响 。 � � � 容器的数学模型 由热力学和流体力学知识得到如下各方程 。 �� 连续性方程 � �若于 � 一 �二 ���� � , 阴 式中 � ��—质量流量�� �节流 口处流量方程 月尸 � 、通 , 、 丝止丛 ,� � � 一丝一日鱼 �� 一 �鱼 � � �� � � � 一 � �气� 卜 � 七� � 夕 � � � 镇 九 蕊 � � �� �� �� � 、灭二丁 ‘�万尸万万 � 八� �、 宜、 门「 � 沪 � � � � � � � � � 气动充放气系统流场数学模型 �� � � � � � � � …�人�� 将实际的气动充放气系统抽象为由一个 固定容 积带一定管长 的管路和两个 固定节 流 口 组成 的系 统 , 如图 � 所示 。 在建立系统的数学模型时 , 容器采 用集中参数法 , 管路采用分布参数法 。 节流 口 � 节流口 � 图 � 气动充放气系统 在本文的研究 中假设 国家 自然科学基金资助项 目��� �� �� � � 。 � �� � � � �� 收到初稿 , � � � �� � � 收到修改稿 �� � 式中 � �—节流 口 高压侧压力� ,—节流 口低压侧压力�� 理想气体状态方程 � � 声 � ��� 式中 � , 尸 , �—容器内气体的压力 、密度和温度�—气体常数�� �热力学第一定律 入 � � � � , �� � ‘ �询 十 ’蓄一 孟�· � � � ’ �� , 式中 �—容器 内气体和外界的传热量‘�—比定容热容�� �传热方程 �� � � 年 �� 月 李 军等 � 气动系统内部结露的机理研究 � � 人� �� � 一 � �� �� � 式中 �— 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面传热系数�—容器内气体和容器的接触面积� � � 管路的数学模型 充放气系统中管路内压缩空气的流动是有摩擦 和传热效应的可压缩非定常一维流动 。 根据气体动 力学知识 , 考虑摩擦 、传热 , 略去做功和重力的影响 , 得到如下的方程 �� ��� 连续方程 生 二 � 匹 上 � 巫 二 坐丝 � �爹 � �釜 � � 淤 � 二芒井 � � �� ��� � �� 一 �� � 一 、 一 , 按照均匀凝结的理论 , 所有会长大的水滴都必 须先达到临界半径 , 然后再作为稳定 的水滴继续生 长 。 临界半径是以 当前水蒸气压力为饱和蒸气压的 水滴 , 它可 以用下式表示 � 口�� · 二 风可而而 �� � 式中 占 � � � ��� � �� � �� �动量方程 � � � � � 刀尸不 十 洲 三二 十 丈 � 声� 户� 吸� � ‘产� �� � 式 中 月� � 醒灯� � 了一范宁系数 , 由经验公式得�—� � � � �灵� 一 � · � � 一一��一��一一 �—流道的水利半径�� �能量方程 式中 。—水滴的表面张力�—水滴的半径下标 � � 表示水滴稳定的临界状态 下标 � 表示水蒸气 下标 � 表示水滴 定义单位时间单位体积内生成的临界凝结核的 个数为核形成率 。 对这个核形成率本文 中采用弗兰克尔提出的公 式 �� 〕 厄万 � �户, 、� 厂一 � 二 �遥� � 、� � , � 三于二 �子未 � � � � �一女于幸竺二 � ��� �,� 兀� � � ��� 一�� � � �� � 当一个水滴成为稳定 的水滴以后 , 它 的半径会 随着时间发生变化 , 定义这个变化率为水滴 的生长 速度 , 它可表示为 亚 � 。 妙� � 一 己」 一 � �印七� � 占�� � � � 鬓卜, ‘� , � �夕、 一 户� � 夕� 丫�祝 , � �� � � 式中 少 二 �� 一 � �� �� � � � , � � � �月� 。—当地声速 , � ��容器的数学模型为常微分方程和代数方程 , 利 用四阶龙格库塔法即可求解 。 管路部分的控制方程 是一组一阶准线性非齐 次偏微分方程 , 它们是双曲 型的 , 可以用特征线 法来得到它们的解 。 容器与管 路模 型的连接利用流过同一界面的气体质量流量相 等的思想来处理 , 同时也解决 了管路容器侧 的边界 条件 。 这样可以求出该充放气 系统的流场情况 。 � 空气中水蒸气的凝结过程 式 中 �—凝结系数下标 � 代表以半径为 � 的水滴为临界半径的状 态 。 要使水滴成长 , 水蒸气具有一定的过饱和度是 必须的 。 随着放气过程的进行压缩空气密度发生变化 , 空气中水滴的数密度也随之变 化 。 在 � 时刻 � � � � � � 时间内产生的水滴数量为 、 。·�� � ��� � � , � � � � � � � 望一夭 � � ��� �� � 又 � � 式中 �—水滴数量下标 � 代表空气 在 �� � 时间段内单位体积水蒸气的凝结量 � 为 气动系统运行时 , 压缩空气在放出过程 中会剧 烈地膨胀 , 使其温度急剧下降 , 如果温度低于压缩空 气的露点温度 , 其中的水蒸气发生凝结 。 当气液界 面为无限大时的凝结过程是按照水蒸气的饱和曲线 发生的 , 但是在气动系统中 , 压缩空气一般是经过除 尘除水等净化处理的 , 没有液相面存在 , 这样凝结核 就只可能是极微小的杂质微粒或 自发形成的微小水 滴 , 这种情况下 的凝结为均匀凝结 。 考虑水滴表 面 张力的影响 , 凝结不是按照凝结线发生的 , 而是有一 定的过饱和度 。 � �� � �二 了兀 � � �‘ � � � �� �� � � 「‘� ‘ � � , 、 」 � , � � 了 , 、 尸。� � � � �� � �� , � ‘ � � � � � �� � ￡』子二令�� � � ! ∀# 户。又r ) ! 在水蒸气的凝结过程中 , 随着时间的变化不断 地有新的水滴产生 , 已经存在的水滴不断地生长 , 在 计算过程中要记录每一个水滴的生长过程显然是不 可能的 。 在这里解决 的办法是将这些水滴分组 , 认 为在 t~ t 十 △t 时间 内产生 的水滴具有 相 同的半 径 。 由于在凝结过程中有新水滴产生的过程在很短 机 械 工 程 学 报 第 37 卷第 10 期 时间内就可以完成 , 所 以用有限数 目的分组就可 以 描述在凝结过程中产生 的水滴 , 认为同一组水滴 具 有相同的特性 。 v r d r ( 1 9 )dt 讨了一一 d 田R ( 2 0 ) 3 微小水滴的沉积 在气 动 系统 中凝 结 出来 的水 滴 半 径 一般 在 10 ’ 7 一 1 0 ’ s m 之间 , 根据气悬浮体理论这些水滴 的 沉积方式有三种 , 即重力沉积 、 惯 性沉积和扩散沉 积[3]。 3 . 1 重力沉积 重力沉积是由于水滴受重力场的作用有一个下 沉的速度 , 并 由此引起的水滴在固体壁面上的沉积 。 当水滴受重力作用下沉 时 , 下沉速度将稳定在终极 速度上 。 刀t 因为气动系统 中的水滴半径很小 , 它的松弛时 间也很小 , 所 以可以认为水滴的切向速度 v t和气流 的速度 u 相同 , 把式 (20) 带人式 (19 )中得 ds = u: d沪 (2 1 ) 如果管路弯曲的角度为 0 , 那么水滴随气流流 过这段弯管所走的径向位移为 { u rd沪 (2 2 ) (尸w 一 夕。 ) 解 艺 1 8 产 ( 14 ) 式中 —终极速度—松弛时间 3.3 扩散沉积 由于扩散作用使水滴沉积下来的现象叫扩散沉 积 。 对于在层流和紊流中悬浮着的水滴都会发生扩 散沉积 , 但其机制是不同的 。 根据计算和分析 , 由扩 散沉积引起的沉积量相对于前两种方式引起的沉积 量小很多 , 在这里可以忽略不计 。 在计 算 很 小 的 水 滴 的终 极 速 度 时 , 需 要 用 C unn in gham 修正因子 C 加以修正 , 即 v g = v C (15 ) 式 中 e 一 1 + 琴「1.25: 、 0 . 4 e x p 卜工六奥兰) ) (16 ) 份 L “八 尸 J式中 几—分子平均 自由程3 , 2 惯性沉积 气动系统中的管路是难免要弯曲的 , 这样导致 压缩空气在管路中流动时气流的方 向会发生改变 。 当气流改变运动方 向时 , 气流中所夹带的水滴由于 惯性力的作用 , 就会 在不 同程度上有一种从空气 中 分离出来 的倾 向 。 设一 个直径为 d 质量为 m 的水 滴 围绕一点做圆周运动 , 半径为 R , 角速度为 。 , 水 滴绕该点转过 的角度为 甲。 当水滴在空气 中运动 , 其雷诺数较小 , 运动将会受到 St ok eS 阻力 , 由水滴 的运动学平衡原理得到水滴的径向加速度力等于它 所受到的阻力 。 m o Z 尺 = 3 二产J 。 :/ e ( 1 7 ) 式 中 二 t—径向速度 , 由式(17) 可得粤d30 夕, 田2 尺e 3 兀产d 2 n v子 二 r田 一八 = 面 T (18) 式中 vt—切向速度刀 : = 田2 R 2 在 dt 时间内 , 水滴的径向位移为 4 内部结露的模糊判据 根据经验 , 影响气动系统结露的因素除了水滴 沉积量以外 , 还有系统充放气的周期 , 充放气 的累积 效应 , 空气 中杂质对凝结的影 响 。 综合考虑这些 因 素 , 利用模糊思想给出一个气动系统会发生结露 的 可能性 。 为讨论方便 , 将影响系统结露 的因素叫做 系统的表象 , 根据实际情况归纳起来有四个 :水滴的 沉积量较多 、 充放气周期较长 、充放气累积效应较大 和空气 中杂质颗粒较大较多 。 设 R 为实数轴 , 考察四维欧氏空间 r 的子集 Y , Y = I X 一X = (x l , x Z , x 3 , x 4 ) ( 2 3 ) 式中 x l—系统内水滴沉积量较多的程度x Z—充放气周期较长的程度x 3—充放气累积效应较大的程度x4—压缩 空气 中含有 的杂质颗 粒较大 的程度 从判断 系统是否 结露 的角度 上看 , 矢量 X = (x l , x : , x 3 , x 4 ) 体现了一个 系统 的全 部表象 。 xj 的值反 映了该 系统第 , 项表象 的程度 。 把矢量 X 定义为表象群 , 把子集 Y 叫做表象空间 。 取表象空间 Y 作论域 , 把 内部结露看成 Y 上 的 F uz zy 集 , 以仓夕F (X )表示内部结露 。 那么判断 一个系统是否发生 内部结露 的问题就是确定 Y 的 元素 x 以多大程度隶属于这个 Fuz zy 集的问题 。 水滴沉积的程度 x , 取值于闭区 间〔0 , 1 〕, 具体 定义为 年 10 月 李 军等 :气动系统内部结露的机理研究 当 m ) m C:时 时吨{ m /m 。r 当 m ( m 。r ( 2 4 ) 式中 m 执cr—计算得到的水滴沉积量 , —临界沉积量 , k g当沉积量大于 m 。r 时 , 认为对水滴的沉积量较 多的隶属度为 1。 在这里 m 。r = 0 . 0 5 m g 。 系统充放气周期较长的程度 x :取值于闭区间 〔0 , 1 ] , 具体定义为 ’ / T cr 当 T < T cr时 当 T ) T cr 时 (25 ) 式 中 T—系统充放气的周期 , s Tc r—临界周期 , s当充放气周期大于 T c:时认为系统对充放气周 期较长的隶属度为 1 , 在这里 T cr为 T 。。 = 3 6 0 0 + 1 0 0 0 m / m c r ( 2 6 ) 根据试验研究和其他研究者的研究结果 , 认为 对充放气 累积效应的影响主要是容器容积和管路容 积的比值 。 系统累积效应较大的程度 x3 取值于闭 区间 [ 一 1 , 1 ] , 具体定义为 f[ V t/ [(p s/ p 。 一 1 ) I V c /2 1 一 1 x , = 弋 当 (P s/p 。 一 1) v 。 > v t 时 t 当 V 。 镇 V , 时 (27 ) 式中 Vt —管路容积 , m 3 Vc —容器容积 , 耐压缩空气中的杂质微粒对系统的凝结有一定的 影响 , 随着微粒的大小和数量的不同而不同 。 在实 际的气动系统中 , 压缩空气在进人系统前需要净化 处理 , 以常用的空气净化设备为例 , 使用不同的空气 净化设备净化后 的压缩空气一般可 以 分为三个等 级 , 分别 是压 缩空气 中含有 的微粒 最 大直径 为 5 拜m , 0 . 3 拼m , 0 . 01 拼m , 可以认为过滤精度越高 , 杂质 微粒 的直径越小 , 数量越少 。 根据经验 , 压缩空气中 的杂质微粒直径越大数量越多越容易发生结露 。 将 空气 中杂质微粒较大较多的程度 x ; 定义为 当 产 , ( X ) > l 时 产 , ( x ) = 1 当 产 , ( X ) < o 时 产 , ( x ) = o 对一个给定的气动充放气系统 , 表象 群矢量 X 是可以唯一确定的 , 所以 可以根据方程式 (30) 可 以 计算出隶属度 产 , ( x ) , 这个隶属度就是该 系统发生 内部结露的可能性 。 通过对前面计算结果的分析得出 , 系统参数影 响结露的本质原因是 :系统参数的不同 , 使该系统在 放气过程中产生的水滴直径不同 , 容积 比及充放气 周期不同 , 从而决定 了是否有多余的水滴沉积在系 统中 , 这就决定了该系统是否会发生结露 。 7孟 了 | 月长‘ | 一一,ŽX 5 判据的试验验证 为了验证前 面理论结果 的正确性 , 在一定的条 件下对由不同容积的容器和不同长度的气管组成的 系统进行充放气试验 , 发生内部结露的结果如图 2 所示 。 计算得到的发生内部结露的可能性如图 3 所 示 。 从图中可以 看到 , 计算 出来的是否发生内部结 露的边界与试验结果基本一致 。 可 以说明本文中的 理论基本正确 , 提 出观点能够解释内部结露产生的 本质原因 。 . 内部节璐点 . 外部节礴点 ……:,., . 16F |唾旅Ž族脂飞指咖恤洛比班 任、、侧华留和 0 0 .5 一 0 1 .5 2 刃 厄 容器容积 v 。/ ( 1 0 一 弓m 3 ) 图 2 结露的试验结果 , Z d 5 d 0 00 0 96 OU月O已、、侧事欲枷 = 0 .0 1 拜m = 0 .3 拌m = 5 拌m 12 { _ 。 l。。· 1 0 冲100% 0 100% 0 100% ( 2 8 ) 0 100% 0 0 100% 0 100 % 0 78 % 0 54 % on”‘|J悦|‘l 一一J峪X 冲|陌陌Œ20 式中 d—过滤后空气中杂质微粒的最大直径各项表象对 内部节露 A 所起 的作用 不尽相 同 , 它们的权重也不相同 , X 中所对应的权重如下 a 二: [ 5 , 一 3 , 5 , x l ] ( 2 9 ) 定义 X 对内部结露A 的隶属度为 乙x、a 、 0 10 0 % O 1 0 0 % 0 10 0 % 0 1的 % % 0 79 % % 0 52% 合既欲4ro , 0 0 %嗯% 8100马0 7 6 马 0 5 2 马 牙, % 6 肠% . 器盖 容器容积 v 。/ ( 2 0 一 ‘ m ’) 图 3 发生 内部结露的计算结果产 , ( x ) = 止夸一 “ l ( 3 0 ) 机 械 工 程 学 报 第 37 卷第 10 期 6 结论 (l) 建立 了气动充放气系统一维非定常流动数 学模型 , 并对其求解 。 ( 2) 利用均匀凝结理论计算得到在放气过程 中 系统内水蒸气的凝结情况 , 以及水滴的数量 、直径随 时间和位置的分布 。 ( 3) 利用气悬浮体理论得 出气动系统内微小水 滴有三种沉积方式 , 并给出它们的计算方法 。 ( 4 ) 利用模糊数学的思想 , 综合了影响结露的各 种因素给出一个系统发生内部结露可能性的公式 。 ( 5) 通过理论分析揭示了气动系统发生内部结 露的机理 。 3 P a r k e r C R e i s t . I n t r记uetion to A erosol反ienee. M aem illan P ublishing Co m Pany , 1 9 8 4 S T U D Y O N T H E I N T E R N A L C O N D E N S A T I O N O F W A T E R V A P O R I N P N E U M A T I C S Y S T E M L i J u n W a n g Z u we n B a o G a n g ( Ha ; 占in In stitu t。 of Te 认nolog) ) 参 考 文 献 左克罗 M J , 霍夫曼 J D .气体动力学 .北京 : 国防工业 出版社 , 1 9 8 4 Z h an g H P , I k 印 S , T a k a h as h i K , e t a l . S t u d y o n t h e co n d e nsa t i o n o f w a t e r i n a p n e u m a t i e s y s t e m . I n : P ro e e e d i n g o f t h e 反co nd JH PS Intern ationalSynlposium on F luid Pow er, T o k 扣 , 1 9 9 3 A 加traet:T he intern al co n densa tio n of eharging and disc ha rging pneum atie system 15 inves tig ated in term s o f g as dyn am ics , t h e rm 闭”am ies , e o n d e nsa t i o n t h eo 叮 an d aero so l th份汀 . T he m ec hanism o f interna lco n densa tion 15 un veiled . U sing the idea l of fuzz y m ath , t h e f a e t o r e f f e e t o n t h e i n t e rn a l co n d e n sa t i o n 1 5 s ”thes 议ed to g iv e a fo rm u la w h ieh e ale ul a tes th e PO SS ib ility o f t h e oc e u rre n e e o f in te rn a l co n d en sa tio n fo r a e erta in P n e u m a tie S y ste n l . K ey w o rds :P n e u m a tie s y ste m In ter n a l co n d e n sa tio n of v a卯r H omo geneo us eondensa tion De position 作者简介 :李军 , 1 9 7 2 年出生 , 讲师 。 从事气动技术研 究 , 发 表 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 20 余篇 , 参加国家自然科学基金 等课题研究 , 获国防科 学技 术三等 奖 1项 。 ( 上接第 53 页 ) S T U D Y O N T H E D E T E R M IN A T IO N O F T H E H E A T R E L E A S E R A T E O F D IE S E L E N G IN E B Y T H E M E T H O D O F P A R A M E T E R E S T IM A T IO N N ing Zh i (No rthern J iaoton g U n ive rs ity ) 2 1 X in夕u n Ya o G u a n g ta o (肠llege of M ilita砂 T ra n sPO rtation ) O u脚ng M ingg ao (Q ingh ua U n i二e rs it夕) o f d iese l en g in e b y th e p erf o rm a n ee p a ra m e te rs m ea s u r ed o f th e d iese l e n g in e .T h is m e th闭 determ ines the co nstants in the dual 一 W e i b e r f u n e tio n b y m a k in g t h e e l oses t b e t w een t h e m ea s u r e d a t a a n d m 记el pr司ietio ns .F or the eha raeter of the no nlinea r m u lti 一 P ar am e t e r o p t im iza t io n p ro b lem , t h e m e t h 记 ofsim ulated anneal ing , d o wn h i l l s i m p l e x a n d u n i fo rm d es i g n a r e u s ed t o so l v e t h i s p ro b l e m . E x a m p l e s t u d i es s ho w t h a t t h e r es 己ts are sa tisfaeto ry . K ey w o rds :以es el en gin e H ea t relea se rate P aram eter es tim ation 作者简 介:宁智 , 男 , 1 9 6 2 年出生 , 博士 , 副教授 。 主要从事内姗机燃 烧及排 放控制技术 的研究 。 A bs t rac t : A m e t h od o f p a r a m e t e r es t i m a t i o n 1 5 p ro l x 〕s ed fo r t h e d e t e rm i n a t io n o f h ea t r e lea s e r a t e of t h e d u al 一 W e ib e r f u n e t io n