王勝藍，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 機械與汽車工程學院）

0 引言

近年來，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險高空作業(yè)，我國每年都有幾萬人因高空作業(yè)發(fā)生危險[2]。因此，研究高樓外墻清潔機器人進行高樓復雜清洗作業(yè)具有現(xiàn)實意義。

目前，高樓外墻清潔機器人主要面臨墻體形狀結(jié)構(gòu)復雜帶來的越障困難、清潔效果不佳等問題。以清潔方式分類，外墻清潔包括接觸式與非接觸式2 種。接觸式清潔包括盤刷式、滾刷式、海綿清潔等；非接觸式包括射流噴嘴清潔等。接觸式清潔及時清潔墻面殘余水珠，但會因越障運動影響清潔效果；非接觸式清潔克服了越障問題，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，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]。與化學清洗相比，該清洗技術(shù)具有工作效率高、無污染、目標范圍廣、清洗成本低等諸多優(yōu)勢[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動和動力特性，對清洗效果影響最大[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，多用于遠距離水清洗場合[8]。

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

1 噴嘴二維模型建立

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

圖2 噴洗清潔機作業(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象，研究0～500 mm 距離下單噴嘴湍流場的流體壓力、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°，長徑比l/d=2.5，接入段長度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 為噴洗機單噴嘴幾何模型，其中ABCDIJKL為噴嘴流場區(qū)域，EFGH為外流場區(qū)域，設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，計算時間步數(shù)選擇1 000 步，時間步長選擇10-8，壁面為無滑移壁面，邊界條件入口壓力選擇30 MPa,標準湍流方程為

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

湍流粘性系數(shù)μt

式中：Cμ——黏性擴散系數(shù)；C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09。湍流動能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，噴嘴清潔到壁面的壓力有所變化，通過仿真分析，噴洗機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，距清潔墻面400 mm 時，出現(xiàn)了噴嘴空化現(xiàn)象[9]，這是由于流場中氣泡產(chǎn)生、分裂再到破裂的作用，導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。

為了進一步驗證噴嘴射流清洗對噴洗機清潔外墻的影響，選擇中間值300 mm 進行仿真分析。

圖6 為網(wǎng)格模型，為了提高仿真精度，采用六面體網(wǎng)格單元劃分噴嘴射流模型，網(wǎng)格單元尺寸設置為1 mm，網(wǎng)格單元數(shù)24 127，節(jié)點數(shù)24 533。圖7 為模擬噴嘴射流。

圖6 單噴嘴射流流場網(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 是噴洗機噴嘴距清洗壁面300 mm 射流壓力、速度以及水流體積分數(shù)。觀察圖9 可以發(fā)現(xiàn)，300 mm 下噴洗機清潔保持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 噴嘴壓力速度計算與實驗

3.1 計算噴嘴射流速度

當噴洗清潔機噴嘴在外墻清洗作業(yè)時，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 噴嘴射流實驗

為進一步驗證仿真與計算結(jié)果的可靠性，本次實驗采用錐直型噴嘴進行壁面清潔，圖10 為噴洗機噴嘴實驗布置圖，圖11 是錐直形噴嘴。外部通過空壓機與水泵通過二拖一接頭與噴洗機內(nèi)部管路連接，最后噴洗機通過錐直型噴嘴進行射流清潔。

圖10 實驗場景布置Fig.10 Experimental scene layout

圖11 錐直形噴嘴Fig.11 Cone straight nozzle

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

表2 噴洗機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

為了進一步驗證噴洗機在300 mm 距離下的清洗效果，在噴嘴入口直徑、長徑比、入口壓力等基本參數(shù)不變的情況下，觀察其對外墻的清潔結(jié)果，圖12 為清潔機外部實驗，由圖13 可見距離墻面300 mm 左右時，玻璃的透明程度與去污程度明顯。

圖12 噴洗機清潔實驗Fig.12 Cleaning experiment of spray washer

圖13 300 mm 距離噴洗機清潔效果前后對比Fig.13 Comparison of cleaning effect of 300 mm distance spray washer

4 結(jié)論

本文基于當前外墻清潔復雜困難程度以及射流清潔技術(shù)的廣泛應用，通過噴嘴二維建模、模擬噴嘴射流流場，利用計算機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。為了驗證仿真效果，通過相關(guān)公式計算與清潔效果實驗，進一步驗證噴洗機射流模型在300 mm 下清洗效果良好，對外墻清潔行業(yè)具有一定的參考價值。