第shi三qi pen丸与抛丸de丸liao加速机理对比
fa布时间:2017/1/25 11:50:52

yin 言                                                                                                        

    pen丸时丸義i氖鱞ao含liao快速流dongde空气和丸liao。tongguopen丸产生束流bao含两个重要de因素:首先蕅ie凶舎e适速度de快速流dongde气体,其次是ba丸liao混ru到快速流dongde气体中(见图1)。

 

图1. pen丸中直接供liaoxi统


    抛丸时丸liao会沿着xuanzhuande金shu叶片移dong直到叶片de边yuan位置。空气伴随着丸liao一起运dong,在叶片de顶端位置两者da礿iao嗨芼e速度。图2解释liao在抛丸中丸義ian薲ongde关jian特征。tongguo抛丸产生束流bao含几个重要de因素:1、ba丸liao送ru到抛toude中间位置,2、加速丸liao直至其到da控zhi舱de出口位置,3、控zhi叶片dezhuan速。

    在qian两qide文章中,已经介shaoliaopen丸和抛丸de丸liao加速机理。一些相关de理论襜u嵩诒酒恼轮衘i续用到。本篇文章一个重要dekuo展就是讨论丸義i氖骼肟猵en嘴后de运dong特征。

    pen丸和抛丸产生de丸流量de差异是很大de,ge有其you点和缺点。除liaoxuan片pen丸,在guo去de半个世纪中关于丸義i募铀俜絪hi方面胔ui衳ian著de进展。本篇文章除liao讲述pen丸和抛丸de一些guo程变量外,也探讨一下jin后ke能de新defa展趋势。文章中会bao含一些重要de公shi,但xu要强调de是这些公shide使用并buxu要数学de专襠i猻hi。

 

图2. 抛丸de丸liao加速xi统


pen丸de丸liao加速

    ke以tongguo控zhi压缩空气de参数来控zhi丸義i乃俣取Q顾蹩掌钪匾猟e参数就是pen嘴中de空气压li。在pen嘴中增加空气压like以增加压缩空气de密度,ru图3所shi。

 

图3.外部de压lizao成内部“jiao重de空气”,atm=biaozhun大气压


pen嘴空气速度

    有一个重要de原理就是:

    无论在什么形shide管祃e校顾蹩掌鴇e最大速度是空气中de音速。

    pen嘴中空气速秗en婵掌筶ide变化ru图4所shi。ru果pen嘴中空气de压li蕅ie桓龃笃梗ê蚿en嘴外部de空气压li相同),那么在pen嘴中胔ui忻鱴iande空气流dong。ru果逐jian地增紋ou缱熘衐e空气压li,那么空气de速度会随之增紋inu果pen嘴中de空气压lida到两个大气压,那么空气速度将da到一个极限值,那就是空气中desheng速。ru果再进一步地增紋ou缱熘衐e空气压li,pen嘴中de空气速度将bu会ji续增加!此时增加de是空气de密度。

 

图4.pen嘴中de空气密度对空气速度de影响


    xu要注yide是,pen嘴中de极限空气速度是在pen嘴dezhou线位置,在pen嘴de侧壁上,空气速度最小(几乎为零),ru图5所shi。普tong直pen嘴de空气速度预测是比jiao简单de。文qiu里pen嘴de空气速度预测更为复詙inⅫ/span>

  

图5 pen嘴中气流速度defen布

    沿着pen嘴dezhou线,气流速度de极限是sheng速。远离zhou线位置de气流由于受到pen嘴侧壁摩擦lidezuo用而jian速。因此,在pen嘴zhou线到pen嘴侧壁de区域,气流de速度是变化de。pen嘴中气流de平均速度大概是sheng速de三fen之二。之qiande文章提到guo,对于大部fende商业用pen嘴,pen枪de平均速度是在210ms-1左右。

pen嘴中丸義i乃俣屈/span>

    就像之qian介shao到de,丸liao固体颗粒收到快速流dongde气流dezuo用而加速。这种加速机理在之qiande文章中也已经介shaoguoliao。在介shao这种加速机理de相关公蔶ie畄ian,xu要介shao下面de简单de定性lei比fen析。



困ru到管祃e衐e感觉

    jia设困ru到一个很大直jingde地下管道。ru果在管祃e忻hui锌掌鱠ong,那么将感受bu到空气deli量。ru果空气de速度da到每秒钟10mi,将能明xian地感觉到一个推li,但是这并bu足以ba吹倒。ru果在这个管祃e辛鱠ong着相同速度deshui流,那么将能gou明xian感受到一个更大de推li-足以ba推倒。这蕅ie蛭猻huide密度比空气de密度更大。ru果流体de密度越大,那么它施加de推li也更大。ru果空气速度da到极限以后ji续增大空气压li,空气速度bufa生变化,但是空气de密度增加liao,这样ke以感受到一个更大de推li。ru果ba空气压li加倍,在尾部开fangde管道dezhou向位置de气流速度已经da到liaosheng速。这种高速de气流将会以一个更高de速度推dong沿着管道移dong。




                           vs=(1.5.CD. ρA.s/π.d. ρS0.5(va-vs)                      (1)

    其中vS=丸義i钠骄俣龋渲蠧D是指“阻lixi数”(该值是无量纲数,取决于物体de形状,对于一个guang滑de球体CD≈0.5),ρA是压缩空气de密度,s=丸粒开shi加速后移dongde距离,d=平均丸粒直jing,ρS是丸義i拿芏龋瑅a是空气流de速度,vs是丸粒de速度。(va-vs)定义为丸粒相对于空气流de“相对速度”。

    公shi(1)ke能kan起来有点复杂,胔ui斜匾猯iao使用这个公shi而要成为一个数学家。最简单de方fa就是使用Excel电子表,ba公shi(1)重新整理一下。表1xianshiliaoru何用下面de公shi计算出丸粒de速度:

C11=C9*((1.5*C3*C5*C4*C8)/(C6*C7))^0.5/(1+((1.5*C3*C5*C4*C8)/(C6*C7))^0.5)

    电子表ke以简单方便地得出特定参数随变量de变化而变化de曲线。也ke以使用电子表得出其它参数变化对丸粒de速度影响de大小。


表1 使用Excel计算de磞ou缱熘谐隼磀e丸義i乃俣屈/span>

 


磞ou缱熘谐隼磀e气流

    空气蕅ie恢謐e以压缩de流体。dang压缩空气磞ou缱熘衟en出之后,它会以最快de速度kuo散到大气中。在图6中,VS表shiliao空气de侧向速度,VF表shiliao空气de向qian速度,使用这两个速度代表空气kuo散de效果。图6de状态符hedangpen嘴中de压li为4atm是,气流kuo散后de直jing是pen嘴直jingde两倍。

    研究气流de一个基本问题就是空气是kanbu见de。在其它工业领域中,tong常在气流中tongru烟雾来进行研究。研究de一个重要区域就是靠jinpen嘴出口de位置。图7表shide是在一个tou明de管中塞rufapao塑liao。塑liao处于压缩de状态,dang它从管(A处de形状和图6中虚线de形状相同)中出来de时候ke以模拟压缩空气pen出de状态。直线C与fapao塑義i谋遹uan相qie,fangru图中为liao表shipen出气流de圆锥体de形状。

    气流de圆锥体de形状一致保持到从气流pen出来开shi到超guopen丸de距离结束。

 

图6 气流离开pen嘴后de状态


 

图7 在管子中塞ruke压缩物体de模型


磞ou缱熘谐隼磀e丸流

    目qian已经采用直接de方fa(高速she像机)和间接de方fa(检cha平板蓌i膒en丸后deao坑)研究离开pen嘴后de丸流。有一个重要de问题就是:“dang丸liao从圆筒形pen嘴中pen出后为什么是圆锥体de形状?”。答案就在图6dede侧向速度,VS。离pen嘴de中zhou线越远,VS越大。气流de侧向移dong促使着其中de丸liao襜u岵醱eide侧向移dong,最zhong产生liao圆锥体de形状。

    dang丸liao磞ou缱熘衟en出之后,丸義i脑薲ong速度会比气流de运dong速度慢。这yi味着丸liao会进一步de加速,直到丸義i乃俣群推鱠e速度相同。因此会得到最大丸liao速度de“最佳点”。之qiande研究证明pen丸强度会在“最佳点”处da到最大值(一般情况下为离开pen嘴de距离250mm)。guoliao“最佳点”后,空气速度低于丸義i乃俣龋鑜iao开shijian速。


抛丸de丸liao加速

    关于抛丸de丸liao加速在之qiande文章中已经介shaoguoliao。丸liao是在快速xuanzhuan叶片de离心lidezuo用下加速de。每个丸liao从叶片de顶部离开时,都具有两个速度,VT和VR,其中VT是qie向速度,VR是jing向速度,它men是丸粒de总de速度VSde两个shi量,ru图8所shi。

 

图8.ji将离开叶片顶端de丸粒de结he速度shi量


    在之qiande文章中已经讲guo,丸liao离开叶片顶部时de速度VSde影响因素有叶轮速度N,叶片chang度L和叶轮半jingR。这些因素ru图9所shi。推导VSde等shi为:

    VS=(2πN)( R2+2.R.L-L2)0.5                       (2)

    公shi(2)具备以下几种用tu:

    例1 计算抛出de丸義i乃俣龋琕S

    jia设叶轮dexuanzhuan速秗en?0 r.p.s,jiN=50s-1,R=0.2m,L=0.1m。ba这些数据代ru到等shi(2)中,ke襶uan玫剑裹/span>

    VS=2*π*50(0.22+2*0.2*0.1-0.12)0.5,ke襶uan玫键strong>VS=83ms-1

    例2 计算bu同de叶片chang度对丸liao速度de影响

    例ru,在上一个例子中,ru果叶片dechang度仅为0.05m,那么ke襶uan玫剑裹/span>

    VS=2*π*50(0.22+2*0.2*0.1-0.052)0.5,ke襶uan玫絍S=75ms-1

    在上面de两个例子中,丸liao速度de差异kan起来比jiao小,但蕅ie枰莦hude是丸liaodong能是与其速度de平方成正比de。dang丸義i乃俣仁?3ms-1时,其具有dedong能比丸義i乃俣仁?5ms-1时要大22.5%。

 

图9. 抛丸de变量对丸liao速度de影响 


羓ie滞鑜iao加速方shide对比

    chuan统de丸流产生de方蔶ie饕橇jiezhi絝a-pen丸和抛丸。羓ie旨铀偻枇xi姆絝afen别比jiaolei似于pen气shi滑雪和浆轮船de工zuo机理。“quan外de思考”ke能是fa掘其它方fade一种比jiaohaode方fa。在这一节中,将讨论羓ie謐e能deti代方shi。

直接空气压缩

    pen丸中de压缩空气tong常fahuide间接dezuo用。首先空气压缩至一个压载舱中,然后tongguo软管供gei到pen丸室中。有一个思路就是tongguo一个小de独lide压缩机直接连到每个pen嘴上。图10就是这种思路de图解。

 

图10. 压缩空气直接驱dongxi统


    这个直接de驱dongxi统ke以避免chuan统de软管输送de模shi。变速chuandong将和压lichuan感器配he进行一个闭he环耭ang貁hi。

luoxuan丸liao推进

    ba抛丸与浆轮船进行对比后yinfaliao一个想fa,那就是ke以采用更有效率deluoxuan推进de方shi进行丸liao加速。luoxuan推进de方faguangfanying用于固体和液体(普tongzhuan速)以ji气体(高速zhuan速)de介质中。在经guo一些文献专著de研究之后,胔ui衒a现在固体介质中deren何高速zhuan速deying用。但这并buyi味着这謟hi絝a就buke行。图11呈现liao采用压缩空气和阿基mi德联he推dongde方fa。luoxuanzhuang置ke以与外部de汽缸相连,也ke以在一个静态de汽缸中加压。这种结he方shike以在高精度低效率depen丸和祎u雀咝蔰e抛丸之间zhao到另外一种中间状态de丸liao加速方shi。

 

图11 空气压缩机和luoxuanshi压缩机结hede丸liao加速方shishiyi图


结论

    pen丸蕅ie恢謜an全取决于guo程控zhide工艺。目qian覆盖率和pen丸强度等参数已经guangfanying用liao。pen丸deguo程控zhi取决于这些参数de联hezuo用。这些联hezuo用ke以用图shi或等shi或两者结hede方fa进行表da。在这篇文章中,主要研究liao单个参数对丸流de影响。ke以充fen利用Excel表格来研究单个参数变化对函数值de影响。只xu要bage个参数值输ru到Excel表格de公蔶ie校缓蟀聪隆叭范ā眏ian就ke以研究这些参数对丸liao速度de影响liao。

    pen丸技术debuduan进步xu要在目qianpen丸zhuang备上做出或大或小de改进。ke能目qian在改进路蓌i淖畲骴e障碍就是de态度,“一直用de就是这謟hi絝a并qie很有效,那为什么要改变呢”。謍ui衎u秞i拇葱虏拍艽词zhao鎑e增chang。在本篇文章中gei出liao两个例子,ke能能指出jin后ke以zuo出改变de地方。