氣動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)露的機(jī)理研究

1、露進(jìn)行了研究，揭了內(nèi)部結(jié)露的機(jī)理。并利用模糊數(shù)學(xué) 的思想，綜合各種影響因素給出了系統(tǒng)發(fā)生結(jié)露可能性 敘詞氣動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)露均勻凝結(jié)沉積0刖目隨著氣 動(dòng)系統(tǒng)向小型化高速化方向的發(fā)展，使原來(lái)比較完善的 氣動(dòng)技術(shù)出現(xiàn)了新的問(wèn)，這就是氣動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)露問(wèn)。氣 動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)露尤其是內(nèi)部結(jié)露對(duì)系統(tǒng)性能和元件壽 命造成很大的影響，所以正確判別結(jié)露的發(fā)生提出防止 發(fā)生結(jié)露的措施已成為個(gè)重要的課。本文以氣動(dòng)充放氣 系統(tǒng)為研究對(duì)象，首先建立了系統(tǒng)的維非定常流動(dòng) 數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其求得數(shù)值解。其次利用均勻凝結(jié)理論， 計(jì)算出在放氣過(guò)程中水蒸氣在容器和管路內(nèi)的凝結(jié)情況。 然后利用氣懸浮體理論提出微小水滴在氣動(dòng)充 放氣系統(tǒng)內(nèi)有種沉

2、積方式，并計(jì)算出了在放氣過(guò)程中能 夠沉積在系統(tǒng)中的水滴量。最后利用模糊數(shù)學(xué)的思想， 綜合各種影響因素給出了系統(tǒng)發(fā)生結(jié)露可能性的公 式。1氣動(dòng)充放氣系統(tǒng)流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型將實(shí)際的氣動(dòng)充放氣 系統(tǒng)抽象為由個(gè)固定容積帶定管長(zhǎng)的管路和兩個(gè)固定節(jié) 流口組成的系統(tǒng)，1.在建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時(shí) ，容器采用集中參數(shù)法，管路采用分布參數(shù)法。節(jié)流口1 節(jié)流口2在本文的研究中假設(shè)國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 59375183.200108收到初稿， 20010610收到修改稿所研究的氣體為理想氣體。容器內(nèi) 的壓力溫度和密度是均勻分布的。管路中每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)壓 力溫度和密度是均勻分布的。壓縮空氣經(jīng) 過(guò)節(jié)流口的流動(dòng)為等墑流動(dòng)。忽略重

3、力的影響。1.1容器 的數(shù)學(xué)模型由熱力學(xué)和流體力學(xué)知識(shí)得到如下各方程。 連續(xù)性方程節(jié)流口處流量方程占產(chǎn)Px節(jié)流口 低壓側(cè)壓力理想氣體狀態(tài)方程熱力學(xué)第穿律cv比定容熱 容傳熱方程1.2管路的數(shù)學(xué)模型充放氣系統(tǒng)中管路內(nèi)壓縮 空氣的流動(dòng)是有摩擦和傳熱效應(yīng)的可壓縮非 定常維流動(dòng)。根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)知識(shí)，考慮摩擦傳熱，略 去做功和重力的影響，得到如下的方程連續(xù)方程2動(dòng)量方 程范寧系數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)公式得流道的水利半徑3能 量方程P，P容器的數(shù)學(xué)模型為常微分方程和代數(shù)方程， 利用階龍格庫(kù)塔法即可求解。管路部分的控制方程是組 階準(zhǔn)線性非齊次偏微分方程，它們是雙曲型的， 可以用特征線法來(lái)得到它們的解。容器與管路模型的連

4、 接利用流過(guò)同界面的氣體質(zhì)量流量相等的思想來(lái)處理， 同時(shí)也解決了管路容器側(cè)的邊界條件。這樣可以求 出該充放氣系統(tǒng)的流場(chǎng)情況。2空氣中水蒸氣的凝結(jié)過(guò)程 氣動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，壓縮空氣在放出過(guò)程中會(huì)劇烈地膨脹， 使其溫度急劇下降，如果溫度低于壓縮空氣的 露點(diǎn)溫度，其中的水蒸氣發(fā)生凝結(jié)。當(dāng)氣液界面為無(wú)限 大時(shí)的凝結(jié)過(guò)程是按照水蒸氣的飽和曲線發(fā)生的，但是 在氣動(dòng)系統(tǒng)中，壓縮空氣般是經(jīng)過(guò)除塵除水等凈化 處理的，沒(méi)有液相面存在，這樣凝結(jié)核就只可能是極微 小的雜質(zhì)微?；蜃园l(fā)形成的微小水滴，這種情況下的凝 結(jié)為均勻凝結(jié)?？紤]水滴面張力的影響，凝結(jié)不是 按照凝結(jié)線發(fā)生的，而是有定的過(guò)飽和度。按照均勻凝 結(jié)的理論，所有

5、會(huì)長(zhǎng)大的水滴都必須先達(dá)到臨界半徑， 然后再作為穩(wěn)定的水滴繼續(xù)生長(zhǎng)。臨界半徑是以當(dāng) 前水蒸氣壓力為飽和蒸氣壓的水滴，它可以用下式下標(biāo)7 水蒸氣下標(biāo)水滴定義單位時(shí)間單位體積內(nèi)生成的臨界凝 結(jié)核的個(gè)數(shù)為核形成率。對(duì)這個(gè)核形成率本文中 采用弗蘭克爾提出的公當(dāng)個(gè)水滴成為穩(wěn)定的水滴以后， 它的半徑會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化，定義這個(gè)變化率為水滴 的生長(zhǎng)速度，它可為下標(biāo)r代以半徑為r的水滴為 臨界半徑的狀態(tài)。要使水滴成長(zhǎng)，水蒸氣具有定的過(guò)飽 和度是必須的。隨著放氣過(guò)程的進(jìn)行壓縮空氣密度發(fā)生 變化，空氣中水滴的數(shù)密度也隨之變化。在時(shí)刻+ 時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的水滴數(shù)量為在，時(shí)間段內(nèi)單位體積水蒸氣 的凝結(jié)量為在水蒸氣的凝結(jié)過(guò)程中

6、，隨著時(shí)間的變化不 斷地有新的水滴產(chǎn)生，已經(jīng)存在的水滴不斷地生長(zhǎng) ，在計(jì)算過(guò)程中要記錄每個(gè)水滴的生長(zhǎng)過(guò)程顯然是不可 能的。在這里解決的辦法是將這些水滴分組，認(rèn)為在， +4；時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的水滴具有相同的半徑。由于在 凝結(jié)過(guò)程中有新水滴產(chǎn)生的過(guò)程在很短時(shí)間內(nèi)就可以完 成，所以用有限數(shù)目的分組就可以描述在凝結(jié)過(guò)程中產(chǎn) 生的水滴，認(rèn)為同組水滴具有相同的特性。3微小 水滴的沉積在氣動(dòng)系統(tǒng)中凝結(jié)出來(lái)的水滴半徑般在7， 1051之間，根據(jù)氣懸浮體理論這些水滴的沉積方式有種， 即重力沉積慣性沉積和擴(kuò)散沉3.1重力沉 積重力沉積是由于水滴受重力場(chǎng)的作用有個(gè)下沉的速度， 并由此引起的水滴在固體壁面上的沉積。當(dāng)水滴受

7、重力 作用下沉?xí)r，下沉速度將穩(wěn)定在終極速度上。r 松弛時(shí)間在計(jì)算很小的水滴的終極速度時(shí)，以叫3爪修正 因子，加以修正，即3.2慣性沉積氣動(dòng)系統(tǒng)中的管路是難 免要彎曲的，這樣導(dǎo)致壓縮空氣在管路中流 動(dòng)時(shí)氣流的方向會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)氣流改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)， 氣流中所夾帶的水滴由于慣性力的作用，就會(huì)在不同程 度上有種從空氣中分離出來(lái)的傾向。設(shè)個(gè)直徑為質(zhì) 量為的水滴圍繞點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，半徑為尺，角速度為心 水滴繞該點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為。當(dāng)水滴在空氣中運(yùn)動(dòng)，其雷 諾數(shù)較小，運(yùn)動(dòng)將會(huì)受到，3阻力，由水滴所受到 的阻力。在心時(shí)間內(nèi)，水滴的徑向位移為需要用因?yàn)闅?動(dòng)系統(tǒng)中的水滴半徑很小，它的松弛時(shí)間也很小，所以 可以認(rèn)為水滴

8、的切向速度和氣流如果管路彎曲的角 度為心那么水滴隨氣流流過(guò)這段彎管所走的徑向位移為 3.3擴(kuò)散沉積由于擴(kuò)散作用使水滴沉積下來(lái)的現(xiàn)象叫擴(kuò)散 沉積。對(duì)于在層流和紊流中懸浮著的水滴都會(huì) 發(fā)生擴(kuò)散沉積，但其機(jī)制是不同的。根據(jù)計(jì)算和分析， 由擴(kuò)散沉積引起的沉積量相對(duì)于前兩種方式引起的沉積 量小很多，在這里可以忽略不計(jì)。4內(nèi)部結(jié)露的模 糊判據(jù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，影響氣動(dòng)系統(tǒng)結(jié)露的因素除了水滴沉 積量以外，還有系統(tǒng)充放氣的周期，充放氣的累積效應(yīng)， 空氣中雜質(zhì)對(duì)凝結(jié)的影響。綜合考慮這些因素， 利用模糊思想給出個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生結(jié)露的可能性。為 討論方便，將影響系統(tǒng)結(jié)露的因素叫做系統(tǒng)的象，根據(jù) 實(shí)際情況歸納起來(lái)有個(gè)水滴的沉

9、積量較多充放氣周 期較長(zhǎng)充放氣累積效應(yīng)較大和空氣中雜質(zhì)顆粒較大較多。 設(shè)只為實(shí)數(shù)軸，考察維歐氏空間只4的子集，Y=iXIX=xi， x2，J，3，xa，23程度從 判斷系統(tǒng)是否結(jié)露的角度上看，矢量無(wú)=，尤體現(xiàn)了個(gè)系 統(tǒng)的全部象。工的值反映了該系統(tǒng)第7項(xiàng)象的程度。把矢 量叉定義為象群，把子集叫做象空間。取象空 間作論域，把內(nèi)部結(jié)露看成上個(gè)系統(tǒng)是否發(fā)內(nèi)部結(jié)露的 問(wèn)就是確定的元素久以多大程度隸屬于這個(gè)，巧集的問(wèn)。 水滴沉積的程度。取值于閉區(qū)間，具體定義為， 內(nèi)部節(jié)露點(diǎn)，外部節(jié)露點(diǎn)對(duì)個(gè)給定的氣動(dòng)充放氣系統(tǒng)， 象群矢量尤是可以唯確定的，所以可以根據(jù)方程式30可 以計(jì)算出隸屬度尤，這個(gè)隸屬度就是該系統(tǒng)發(fā)生

10、 內(nèi)部結(jié)露的可能性。通過(guò)對(duì)前面計(jì)算結(jié)果的分析得出， 系統(tǒng)參數(shù)影響結(jié)露的本質(zhì)原因是系統(tǒng)參數(shù)的不同，使該 系統(tǒng)在放氣過(guò)程中產(chǎn)生的水滴直徑不同，容積比及 充放氣周期不同，從而決定了是否有多余的水滴沉積在 系統(tǒng)中，這就決定了該系統(tǒng)是否會(huì)發(fā)生結(jié)露。5判據(jù)的試 驗(yàn)驗(yàn)證為了驗(yàn)證前面理論結(jié)果的正確性，在定的 條件下對(duì)由不同容積的容器和不同長(zhǎng)度的氣管組成的系 統(tǒng)進(jìn)行充放氣試驗(yàn)，發(fā)生內(nèi)部結(jié)露的結(jié)果2.計(jì)算得到的發(fā) 生內(nèi)部結(jié)露的可能性3所。從中可以看到，計(jì) 算出來(lái)的是否發(fā)生內(nèi)部結(jié)露的邊界與試驗(yàn)結(jié)果基本致可 以說(shuō)明本文中的理論基本正確，提出觀點(diǎn)能夠解釋內(nèi)部 結(jié)露產(chǎn)生的本質(zhì)原因。故工1 mmcr當(dāng)7時(shí)計(jì) 算得到的水滴沉

11、積量8 TTlct臨界沉積量，邑當(dāng)沉積量大于 講，時(shí)，認(rèn)為對(duì)水滴的沉積量較多的隸屬度為1.在這里 =0.05.系統(tǒng)充放氣周期較長(zhǎng)的 程度巧取值于閉區(qū)間，具體定義為T(mén)cr臨界周期，3當(dāng)充放 氣周期大于丁，時(shí)認(rèn)為系統(tǒng)對(duì)充放氣周期較長(zhǎng)的隸屬度 為在這里了，為根據(jù)試驗(yàn)研究和其他研究者 的研究結(jié)果，認(rèn)為對(duì)充放氣累積效應(yīng)的影響主要是容器 容積和管路容積的比值。系統(tǒng)累積效應(yīng)較大的程度13取 值于閉區(qū)間具體定義為管路容積3壓縮空氣中的 雜質(zhì)微粒對(duì)系統(tǒng)的凝結(jié)有定的影響，隨著微粒的大小和 數(shù)量的不同而不同。在實(shí)際的氣動(dòng)系統(tǒng)中，壓縮空氣在 進(jìn)人系統(tǒng)前需要凈化處理，以常用的空氣凈化設(shè)備 為例，使用不同的空氣凈化設(shè)備凈

12、化后的壓縮空氣般可 以分為個(gè)等級(jí)，分別是壓縮空氣中含有的微粒最大直徑 為5，0.3，0.01爪，可以認(rèn)為過(guò)濾精度越 高，雜質(zhì)微粒的直徑越小，數(shù)量越少。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，壓縮 空氣中空氣中雜質(zhì)微粒較大較多的程度4定義為各項(xiàng)象對(duì) 內(nèi)部節(jié)露所起的作用不盡相同，它們的權(quán)重也不 相同，中所對(duì)應(yīng)的權(quán)重如下5，3，5，xl定義叉對(duì)內(nèi)部結(jié) 露的隸屬度為6結(jié)論建立了氣動(dòng)充放氣系統(tǒng)維非定常流動(dòng) 數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其求解。利用均勻凝結(jié)理 論計(jì)算得到在放氣過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)水蒸氣的凝結(jié)情況，以 及水滴的數(shù)量直徑隨時(shí)間和位置的分布。利用氣懸浮體 理論得出氣動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)微小水滴有種沉積方式，并給 出它們的計(jì)算方法。利用模糊數(shù)學(xué)的思想，綜合了影響 結(jié)露的各種因素給出