王勝藍(lán)，葉邦松，袁方，侯飛宇，湯志仁，江鴻博

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院）

0 引言

近年來(lái)，高樓外墻清潔領(lǐng)域逐漸引起關(guān)注，傳統(tǒng)人工清潔方式是掛在外墻的“蜘蛛人”進(jìn)行“一人一繩式”清潔[1]，如圖1 所示。

圖1 人工清潔Fig.1 Manual cleaning

據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，在天氣良好的狀況下，人工清潔高樓外墻的清洗速度為每天300～500 m2。玻璃幕墻清洗是一種高風(fēng)險(xiǎn)高空作業(yè)，我國(guó)每年都有幾萬(wàn)人因高空作業(yè)發(fā)生危險(xiǎn)[2]。因此，研究高樓外墻清潔機(jī)器人進(jìn)行高樓復(fù)雜清洗作業(yè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前，高樓外墻清潔機(jī)器人主要面臨墻體形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜帶來(lái)的越障困難、清潔效果不佳等問(wèn)題。以清潔方式分類(lèi)，外墻清潔包括接觸式與非接觸式2 種。接觸式清潔包括盤(pán)刷式、滾刷式、海綿清潔等；非接觸式包括射流噴嘴清潔等。接觸式清潔及時(shí)清潔墻面殘余水珠，但會(huì)因越障運(yùn)動(dòng)影響清潔效果；非接觸式清潔克服了越障問(wèn)題，但以噴嘴射流為主的方式難以去除壁面殘余水漬。

為了兼顧接觸式與非接觸式清潔的優(yōu)點(diǎn)，以氣、水兩相為介質(zhì)的高壓水射流清洗技術(shù)作為一種應(yīng)用廣泛的清洗技術(shù)[3]用于制造切割和工業(yè)清洗[4]。與化學(xué)清洗相比，該清洗技術(shù)具有工作效率高、無(wú)污染、目標(biāo)范圍廣、清洗成本低等諸多優(yōu)勢(shì)[5]。噴嘴作為高壓水射流清洗系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，主要作用是改變高壓水射流的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，對(duì)清洗效果影響最大[6]。噴嘴型式按形狀劃分有錐形、扇形、異形；按壓力劃分有低壓、高壓、超高壓；按孔數(shù)劃分有單孔、多孔[7]。其中，錐形噴嘴射流能獲得較高集聚能的集束射流，多用于遠(yuǎn)距離水清洗場(chǎng)合[8]。

本文研制了一款以氣、水兩相流噴嘴射流為主的清潔機(jī)，著重研究清潔距離對(duì)噴嘴射流壓力、清洗效果的影響，為外墻清潔應(yīng)用提供參考。

1 噴嘴二維模型建立

圖2 為外墻噴洗機(jī)工作圖，為了提高清潔效率，噴洗機(jī)清潔單元主要采用以錐直型噴嘴清潔的氣、水兩相混合流體進(jìn)行外墻清潔。

圖2 噴洗清潔機(jī)作業(yè)Fig.2 Operation of spray cleaning machine

1.1 錐直形噴嘴模型

以錐直型噴嘴為研究對(duì)象，研究0～500 mm 距離下單噴嘴湍流場(chǎng)的流體壓力、速度。高壓圓柱形噴嘴二維模型如圖3 所示，錐直形噴嘴收縮角α=13°，長(zhǎng)徑比l/d=2.5，接入段長(zhǎng)度L=20 mm，出口直徑d=1 mm，噴嘴入口工作壓力為30 MPa，l'=5 mm。

圖3 噴嘴相關(guān)參數(shù)Fig.3 Related parameters of nozzle

圖4 為噴洗機(jī)單噴嘴幾何模型，其中ABCDIJKL為噴嘴流場(chǎng)區(qū)域，EFGH為外流場(chǎng)區(qū)域，設(shè)AL為射流入口，AB、BC、CD、DE、HI、IJ、JK、KL、FG為壁面，EF、HG為出口邊界。

圖4 單噴嘴二維模型與流場(chǎng)幾何模型Fig.4 Two-dimensional model of single nozzle and geometric model of flow field

1.2 邊界條件

選擇Fluent 軟件中多相流VOF 均質(zhì)模型，粘性模型選擇湍流模型，重力加速度取9.81 m/s2，計(jì)算時(shí)間步數(shù)選擇1 000 步，時(shí)間步長(zhǎng)選擇10-8，壁面為無(wú)滑移壁面，邊界條件入口壓力選擇30 MPa,標(biāo)準(zhǔn)湍流方程為

式中：Gk——平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能；Gb——浮力引起的湍動(dòng)能；YM——可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響。

湍流粘性系數(shù)μt

式中：Cμ——黏性擴(kuò)散系數(shù)；C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09。湍流動(dòng)能k，耗散率ε的普朗克數(shù)分別為δk=1.0，δε=1.3。

2 仿真分析

采用不同壁面距離時(shí)，噴嘴清潔到壁面的壓力有所變化，通過(guò)仿真分析，噴洗機(jī)噴嘴清潔距離與其到壁面的壓力、速度關(guān)系如表1 所示，根據(jù)表1生成流體壓力、速度曲線，如圖5 所示。

表1 不同距離下噴嘴射流流體壓力與速度Tab.1 Pressure and velocity of nozzle jet at different distances

圖5 軸向距離與射流壓力、流速的關(guān)系Fig.5 Relationship of axial distance with jet pressure and velocity

由圖5 可知，距離200 mm 以上流體壓力出現(xiàn)波動(dòng)，距清潔墻面400 mm 時(shí)，出現(xiàn)了噴嘴空化現(xiàn)象[9]，這是由于流場(chǎng)中氣泡產(chǎn)生、分裂再到破裂的作用，導(dǎo)致流體壓力急劇下降，而流速也受到一定影響。另外，打擊到壁面上的流體速度起伏不大，平均值控制在230 m/s，流體壓力隨著軸向距離的增大而變小。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證噴嘴射流清洗對(duì)噴洗機(jī)清潔外墻的影響，選擇中間值300 mm 進(jìn)行仿真分析。

圖6 為網(wǎng)格模型，為了提高仿真精度，采用六面體網(wǎng)格單元?jiǎng)澐謬娮焐淞髂Ｐ?，網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為1 mm，網(wǎng)格單元數(shù)24 127，節(jié)點(diǎn)數(shù)24 533。圖7 為模擬噴嘴射流。

圖6 單噴嘴射流流場(chǎng)網(wǎng)格模型Fig.6 Grid model of single nozzle jet flow field

圖7 模擬噴嘴射流Fig.7 Simulated nozzle efflux

圖8 是噴洗機(jī)噴嘴距清洗壁面300 mm 射流壓力、速度以及水流體積分?jǐn)?shù)。觀察圖9 可以發(fā)現(xiàn)，300 mm 下噴洗機(jī)清潔保持232 m/s 射流清洗速度，壓力穩(wěn)定在9 MPa 左右，而一般清潔墻壁需要8～10 MPa 清洗壓力，滿足射流噴洗清潔要求。

圖8 300 mm 下噴洗機(jī)噴嘴兩相分布、流速、壓力云圖Fig.8 Cloud diagram of nozzle two-phase distribution,flow rate and pressure of spray washing machine at 300 mm

圖9 300 mm 噴嘴壓力、速度曲線Fig.9 Pressure,velocity curve of 300 mm nozzle

3 噴嘴壓力速度計(jì)算與實(shí)驗(yàn)

3.1 計(jì)算噴嘴射流速度

當(dāng)噴洗清潔機(jī)噴嘴在外墻清洗作業(yè)時(shí)，噴洗在壁面上的流體壓力越大射流清洗速度越快，射流速度壓力簡(jiǎn)化公式[10]為

式中：P——噴嘴入口前流體壓力，MPa；V——噴嘴出口前流體速度，m/s。

計(jì)算可得入口壓力30 MPa，噴嘴射流出口速度V=245 m/s，F(xiàn)luent 仿真結(jié)果流體速度在232.5 m/s 左右，在誤差允許范圍之內(nèi)。

3.2 噴嘴射流實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真與計(jì)算結(jié)果的可靠性，本次實(shí)驗(yàn)采用錐直型噴嘴進(jìn)行壁面清潔，圖10 為噴洗機(jī)噴嘴實(shí)驗(yàn)布置圖，圖11 是錐直形噴嘴。外部通過(guò)空壓機(jī)與水泵通過(guò)二拖一接頭與噴洗機(jī)內(nèi)部管路連接，最后噴洗機(jī)通過(guò)錐直型噴嘴進(jìn)行射流清潔。

圖10 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景布置Fig.10 Experimental scene layout

圖11 錐直形噴嘴Fig.11 Cone straight nozzle

改變壁面與噴洗機(jī)距離，觀察清洗效果，如表2 所示，可見(jiàn)在0～300 mm 時(shí)，清洗面積較小，射流沖擊力過(guò)大導(dǎo)致壁面出現(xiàn)水珠，影響清潔效果；隨著噴洗距離增加，噴洗機(jī)清潔面積有一定的擴(kuò)大，射流沖擊力衰減，殘留在壁面水珠減少，距離在300～500 mm 時(shí)，清洗效果更佳。

表2 噴洗機(jī)在不同清洗距離下的清洗效果Tab.2 Cleaning effect of spray washing machine at different cleaning distances

為了進(jìn)一步驗(yàn)證噴洗機(jī)在300 mm 距離下的清洗效果，在噴嘴入口直徑、長(zhǎng)徑比、入口壓力等基本參數(shù)不變的情況下，觀察其對(duì)外墻的清潔結(jié)果，圖12 為清潔機(jī)外部實(shí)驗(yàn)，由圖13 可見(jiàn)距離墻面300 mm 左右時(shí)，玻璃的透明程度與去污程度明顯。

圖12 噴洗機(jī)清潔實(shí)驗(yàn)Fig.12 Cleaning experiment of spray washer

圖13 300 mm 距離噴洗機(jī)清潔效果前后對(duì)比Fig.13 Comparison of cleaning effect of 300 mm distance spray washer

4 結(jié)論

本文基于當(dāng)前外墻清潔復(fù)雜困難程度以及射流清潔技術(shù)的廣泛應(yīng)用，通過(guò)噴嘴二維建模、模擬噴嘴射流流場(chǎng)，利用計(jì)算機(jī)Fluent 軟件仿真，得出噴嘴在0～500 mm 距離內(nèi)流體壓力與速度關(guān)系，即軸向距離越長(zhǎng)流體壓力越小，受入口壓力影響，打擊在壁面的流體速度起伏波蕩不明顯。為了驗(yàn)證仿真效果，通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算與清潔效果實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證噴洗機(jī)射流模型在300 mm 下清洗效果良好，對(duì)外墻清潔行業(yè)具有一定的參考價(jià)值。