题目：气动喷吹系统的能耗分析及节能设计的研究

为了实现国家 “十一五”规划确立的节能指标，气动系统正在朝着节能高效的方向发展。而目前广泛使用的气动系统各个环节的能量效率不高，特别是占气动系统能耗50%以上的气动喷吹环节。气动喷吹本质上属于冲击射流范畴，目前对于冲击射流流动特性的研究较为完善，但是很少文献将射流理论与喷吹系统相结合，气动喷吹系统的性能以及能量的定义不明确，没有一个套完备的理论指导喷吹系统的设计及优化。现有喷吹系统主要依据经验来设计，因此能量的消耗大，浪费严重。针对这些问题，在如下几个方面对喷吹系统展开研究。由于喷吹系统对象的多样性，使得喷吹强度的定义不唯一，比如用于除尘的喷吹系统，微小尘埃颗粒受到喷流力的作用被带走，喷吹强度可以定义为喷流对颗粒作用的力；而用于冷却和干燥的喷吹系统，热量和水分受到喷流扩散或对流作用被带走，喷吹强度则定义为扩散或对流作用的强度。根据喷吹对象及物理过程的不同，将喷吹分为由流体力驱动的力量型喷吹和由对流作用驱动的质量型喷吹。对于力量型喷吹，基于颗粒的受力分析，喷吹强度定义为喷流作用于颗粒的切应力，综合考虑喷吹强度、喷吹气动功率以及喷吹面积，提出最小功率设计原则，得到了设计喷吹强度——喷吹面积最小功率特征线。喷嘴口径的设计不依赖于目标喷吹强度，喷流速度的设计依赖于目标喷吹强度。喷吹高度的设计需考虑输气管道的损失和喷吹气动功率，增加喷吹高度同时保持喷吹强度会增加喷吹气动功率，减小喷吹高度同时保持喷吹面积会增加了管道损失。对于给定的管道参数，存在最优的喷吹高度使管道损失和喷吹气动功率的总和达到最小。颗粒附着的平面与喷吹方向形成的倾斜角（0~90°），会影响喷吹强度的幅值和喷吹面积。倾斜角自90°减小，静止大气吸入到近壁面的湍流粘性底层的流量增大，导致了喷吹强度幅值的减小，当倾斜角度为15°时，大气的吸入流量达到最大，喷吹强度幅值减至最小；喷吹面积的变化趋势则相反，倾斜角为90°时喷吹强度的幅值最大，但喷吹面积最小，倾斜角为15°时喷吹强度的幅值最小，但喷吹面积最大。如果目标喷吹面积较大，采用多个喷嘴共同喷吹的问题是喷流之间会相互干扰而导致喷吹强度减弱。存在一个特征距离，当相邻两喷嘴之间的距离大于特征距离时，喷吹强度的减弱可以忽略不计。对于质量型喷吹，基于对象的换热特性，喷吹强度定义为压缩空气的换热功率。综合考虑喷吹强度、喷吹气动功率以及喷吹面积，提出最小换热功率设计原则，得到了喷嘴口径——气体通量最小换热功率特征曲线。气体通量存在分界点Φm，将整个气体通量取值区间分为低通量区间和高通量区间，对应于一个目标换热功率，同时存在两个气体通量的解分别处在这两个区间，由低通量区间设计的系统消耗的气动功率全局最小；基于圆形喷嘴的换热特性，Φm=2.38，并可以给出喷吹设计的指导原则：喷嘴入口气体总压应小于4倍大气压，喷嘴口径与换热面直径的比应大于0.05。压缩空气的工作过程可以分为喷流与喷吹对象相互作用阶段以及喷流的发生阶段，上述内容主要讨论了喷流与喷吹对象相互作用的阶段，并假定喷流的发生环节机械能没有损失。在发生阶段空气从压缩状态通过膨胀转变为高速状态，对于实际气动系统压缩空气膨胀过程中存在众多不可逆因素，导致喷流携带的机械能减少，当空气压力高于临界压力时，不可逆的损失变得显著。对于采用集中供气且输出压力恒定的气动系统来说，空气压力一般高于临界压力，一方面加剧了不可逆损失，另一方面增加了喷流的质量流量，从而加大了喷吹气动功率的消耗。对于第一个问题，提出通过设计喷嘴出口与喉部口径之比以及喷管长度，减小喷流与环境之间的压差，从而减小压差诱发的激波以及自激振荡而导致的不可逆损失。对于第二个问题，通常用节流方式调节喷流流量，节流带来的气动功率的损失达到30%以上，提出采用脉宽调制的方式，实验数据表明气动功率的损失可降低至10%以下，但脉宽调制使喷流具有非定常性会导致喷吹强度降低。由于喷流的建立是一个动态过程，存在一个特征时间，当脉宽时间大于特征时间，非定常喷流的喷吹强度趋近于定常喷流。由于脉冲喷流拥有上述优点，提出了一种基于双气控阀的机械式脉冲气流发生回路，建立了回路各部分参数与脉冲频率及占空比的关系式，为回路的设计奠定了理论基础。为了简化脉冲回路的设计，提出了一种基于弹簧振子的机械式脉冲气流发生机构，并设计了一个阀腔在每个脉冲循环储存一定量压缩空气，压缩空气膨胀做功补偿了弹簧振子的摩擦损失。