來源：Biosystems engineering 2017(159), 97-108
題目：Simulation and experimental test of waterless washing nozzles for fresh apricot
作者： Hongkui Chun，Ruoyu Zhang粉铐， Yanjie Qi笼才，Za Kan

該論文較之前的會議論文豐富性在于添加了試驗驗證部分瑰煎，并且利用傳感器測量相關(guān)的參量，描述更加詳細(xì)具體。

閱讀本文的目的：

• 對比會議論文和該SCI論文的差別，為之后撰寫相關(guān)會議論文和SCI 打基礎(chǔ)。
• 了解實驗室內(nèi)部工作的其他方面巩趁，盡可能多學(xué)習(xí)，在之后完成自己課題的基礎(chǔ)上淳附，可以嘗試實踐议慰。
• 課題研究對象與自己課題的對象一致，可以在論述方面借鑒和區(qū)別奴曙。

題目：鮮杏無水清洗噴嘴仿真和試驗測試

摘要：

為了設(shè)計利用壓縮空氣進(jìn)行鮮杏無水清洗的噴嘴别凹，結(jié)合仿真和試驗方法進(jìn)行了四種不同噴嘴的研究。通過對噴嘴噴射氣流的分析洽糟，確定了無水清洗的工作空間番川。在該空間內(nèi)，利用CFD（計算流體動力學(xué)）仿真和壓力測試對四種噴嘴氣流特征對比脊框，確定了最佳噴嘴颁督。結(jié)果表明仿真速度和測試壓力趨向一致。機器視覺技術(shù)被用于品谷四種噴嘴的清晰效果浇雹。結(jié)果顯示柱錐形噴嘴為最佳最佳噴嘴沉御，其平均無水清洗率達(dá)到99.07%。該研究表明了結(jié)合仿真和試驗測試能夠用于鮮無水清洗的試驗和設(shè)計昭灵。

關(guān)鍵字：無水清洗吠裆；鮮杏；噴嘴烂完；數(shù)字仿真试疙；傳感壓力測試；圖像處理

1 引言

杏具有豐富的營養(yǎng)價值和藥用價值抠蚣，在世界廣泛流行祝旷。中國新疆是世界重要的鮮杏種植地區(qū)，2015年種植面積超過125千公頃，出口量達(dá)到1.20百萬噸怀跛。然而距贷， 鮮杏表面很容易在收獲期由于獨特的干旱氣候被塵土砂礫覆蓋。因為水洗很容易損壞鮮杏蠟質(zhì)層吻谋，通常情況下鮮杏一經(jīng)采摘直接拿到市場上售賣忠蝗。塵土嚴(yán)重影響了鮮杏的外部品質(zhì)質(zhì)量。鮮杏必須被清洗漓拾，目前普遍采用鮮果清晰方法為高壓水洗阁最。然而在使用高壓水洗后鮮杏其薄薄的蠟質(zhì)層極容易被破壞。蠟質(zhì)層主要功用是抵制細(xì)菌侵襲和防止水分散失骇两。由于水果品質(zhì)在輸送和貯藏過程中惡化速种，蠟質(zhì)層的損壞通常導(dǎo)致大量經(jīng)濟損失。

為了避免這些缺點脯颜，針對水果和水彩的無水清洗方法逐漸被研究哟旗。Davies贩据，F(xiàn)ahy和Rau說栋操，一系列的無水清洗技術(shù)和裝備使得清洗對水的依賴不斷降低。Brogden發(fā)明了無水清洗裝置用來清洗新鮮橘子饱亮。該裝置依賴于一種結(jié)合特殊藥劑的毛刷輥矾芙。并且，它使用高溫干燥殺菌近上。Bichel同樣設(shè)計了旋轉(zhuǎn)式毛刷輥無水清洗機械剔宪。在離心力的作用下，表面的塵土和雜質(zhì)被去除壹无。因為鮮杏易受損傷葱绒，不適合使用以上兩種方法。Huang提出了一種用于葡萄干無水清洗的方法斗锭，該方法基于高濃度二氧化碳和超聲波處理地淀，可同時實現(xiàn)清洗、殺菌和殺蟲岖是。但反應(yīng)器需要先用過氧化氫清洗帮毁，且無水清洗條件要求處理次數(shù)超過三次，溫度大于20℃豺撑，壓強大于5.8MPa烈疚，超聲波頻率超過10kHz。如此嚴(yán)格的環(huán)境條件和較長的處理時間是的該方法不太適用于鮮杏的清晰聪轿。

噴嘴結(jié)果極大影響著無水清洗的效果爷肝。收口角度是噴嘴結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。Hou和Hou發(fā)現(xiàn)噴嘴清洗效果與工作區(qū)氣流區(qū)域參數(shù)相關(guān)。Erfan阶剑，Chitsaz和Ziabasharhagh研究了噴嘴的噴射特征跃巡。射流噴射通常分成三個階段，分別為初始階段牧愁、主體階段和消散階段素邪。初始階段通常用于破碎和切割，主體階段主要用于清洗和除雜猪半，因該階段有較大的有效噴射寬度和更大的有效速度兔朦。消散階段主要用于降溫和除塵。在分析噴嘴結(jié)構(gòu)和流體區(qū)域的過程中磨确，數(shù)字仿真被廣泛應(yīng)用沽甥。Aravind，Reddy和Baserkoed模擬了不同工作條件和幾何形狀下對蒸汽噴嘴工作效果的影響乏奥，研究發(fā)現(xiàn)霧沫夾帶比會隨著過濾蒸汽溫度和飽和溫度的增加而降低摆舟。Cai和He使用CFD計算流體動里學(xué)對超音速蒸汽噴嘴進(jìn)行了仿真模擬，研究表明夾帶比會隨著蒸汽過熱度增加而增加邓了。Peng和Song發(fā)現(xiàn)了四種雙邊噴嘴中恨诱，柱錐型噴嘴最適用于磨光。對比傳統(tǒng)的設(shè)計方法骗炉，數(shù)字模擬優(yōu)勢眾多照宝，例如，低耗句葵，快速和應(yīng)用廣泛厕鹃。數(shù)字模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的確定。這些研究大部分針對工業(yè)設(shè)計工作乍丈，但是一些也用于水果的無水清洗技術(shù)剂碴。

本文的主要目的是提出一種鮮杏無水清洗方法，利用無水清洗噴嘴噴射高壓空氣來清潔杏子轻专。分析了四種不同結(jié)構(gòu)的噴嘴忆矛，利用仿真和試驗測試來確定最佳的噴嘴結(jié)構(gòu)。該研究的具體目標(biāo)如下：

• 結(jié)合仿真分析和試驗測試以及機器視覺技術(shù)铭若，選擇和評估杏無水清洗的最佳噴嘴結(jié)構(gòu)洪碳。
• 對比和分析四種噴嘴的流速分布特征，確定鮮杏清晰工作區(qū)域叼屠。
• 構(gòu)建基于感應(yīng)壓力片的測試平臺瞳腌，用來進(jìn)行四種噴嘴的壓力測試。
• 采集不同噴嘴無水清洗前后的鮮杏圖像镜雨，利用MATLAB軟件計算每種類型的清洗效果嫂侍。

2 材料與方法

2.1 仿真分析

2.1.1 鮮杏研究

本研究中，采集了兩個品種鮮杏樣本，小型的小白杏挑宠，大型的大紅杏菲盾，都為新疆廣泛種植的品種。鮮杏形狀橢圓形各淀，因此其長度為最大尺寸懒鉴。利用游標(biāo)卡尺測量長度。圖1為100個小白杏和100個大紅杏樣本的長度分布碎浇。兩個品種的最大長度均不超過60mm临谱。

圖1 鮮杏長度分布 a. 小白杏 b. 大紅杏

無水清洗的工作區(qū)域和距離的原理示意圖如圖2a。因為鮮杏在傳送過程的移動是不規(guī)則的奴璃，任意尺寸都有可能為無水清洗的工作面的尺寸悉默。未覆蓋無水清洗的大部分杏子，工作區(qū)域的直徑設(shè)置為60mm苟穆。

圖2 噴嘴原理示意圖 a.噴嘴工作示意圖 b.噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 無水清洗噴嘴模型建立和生產(chǎn)

通過實驗抄课，噴嘴噴射類型主要用于清洗。幾種噴嘴噴射類型結(jié)構(gòu)為雳旅，扇形跟磨、錐形和混合型噴嘴。研究選用了四種不同結(jié)構(gòu)的噴嘴進(jìn)行仿真和分析找到最佳的杏子清洗噴嘴的最佳結(jié)構(gòu)岭辣，四種噴嘴分別為柱形噴嘴（CN）吱晒，柱錐形噴嘴（CCN）甸饱，扇形噴嘴（FN）和柱扇形噴嘴（CFN）沦童。收口角為收口中心線和邊線的夾角（圖2b）。收口角度為確定噴嘴結(jié)構(gòu)特征的重要參數(shù)叹话。柱形噴嘴偷遗、柱錐形噴嘴、扇形噴嘴和柱扇形噴嘴的角度分別為0°驼壶、5°氏豌、-5°和-10°。4種噴嘴的入口直徑設(shè)定為6mm热凹。每個噴嘴的長度為20mm泵喘。每個噴嘴的交叉區(qū)域為圓形。為維持4種噴嘴的相同仿真條件般妙，它們的入口速度保持一致纪铺。所有噴嘴材料為鋁。

圖3 四種噴嘴模型和參考部分

2.1.3 數(shù)字仿真方法

四種噴嘴的雷諾數(shù)計算如公式1：

公式1

其中碟渺，Re代表雷諾數(shù)鲜锚，ρ代表空氣密度，v代表平均速度，d代表噴嘴的內(nèi)部直徑芜繁，μ代表氣體粘度系數(shù)旺隙，d為特征長度。雷諾數(shù)和其他參量的值如表1所示骏令。因為這些噴嘴的雷諾數(shù)最小值大于1000蔬捷，研究選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。因此榔袋，該研究結(jié)論為全射流和分子粘度可忽略抠刺。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型為1972年Launder和Spalding提出，此外還有K方程摘昌、射流動力能量和射流消散比方程速妖。該模型被廣泛應(yīng)用于工程問題和科學(xué)研究。

表1 四種噴嘴雷諾數(shù)公式中的參數(shù)

ε定義如下：

公式2

射流粘性系數(shù)計算公式如下：

公式3

標(biāo)準(zhǔn)k-ε射流模型表達(dá)式為：

公式4和5

公式6

其中聪黎，G_k是在平均速度階梯效益下射流動力能量k所產(chǎn)生的罕容，G_b是在平均速度浮力作用下的射流動力能量k所產(chǎn)生的，Y_M為ε總消散比的波紋擴散效應(yīng)稿饰，C_1ε锦秒，C_2ε，C_3ε喉镰，σ_k和σ_ε為經(jīng)驗值旅择。在FLUENT軟件下默認(rèn)的參數(shù)如表2所示。

表2 FULENT軟件標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型參數(shù)

研究中侣姆，使用GAMBIT軟件建立四種噴嘴的模型生真。網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖4所示。捺宗，其中柱蟀，D為噴嘴的內(nèi)部直徑，6mm蚜厉；L為噴嘴的長度长已，20mm。由于噴嘴和流出區(qū)域都為中心對稱昼牛，在研究中使用其二維結(jié)構(gòu)术瓮。四邊形網(wǎng)格因其最接近真實模型被采用。

圖4 柱流噴嘴網(wǎng)格劃分

為保證相同仿真條件贰健，所有噴嘴空氣進(jìn)口速度設(shè)為80m·s^-1胞四，出口壓強全為101,325Pa。因為馬赫數(shù)為0.24霎烙，流體被視為不可壓縮的撬讽，能量公式不能使用蕊连。四種噴嘴的初始邊界設(shè)置相同。

2.1.4 工作空間確定

無水清洗工作區(qū)域應(yīng)該置于噴射主體階段游昼，該階段有兩個選擇工作區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)甘苍。第一個為L_e≥L_max，其中L_e為噴射有效寬度烘豌，L_max是鮮杏樣本的最大長度载庭。噴嘴有效寬度為工作寬度，該部分的所有點都比噴射有效速度要大廊佩。第二個保準(zhǔn)為V_w≥V_e和V_wmax≤V_b囚聚，其中V_w為共諾區(qū)域速度，V_e為清洗有效速度标锄。有效速度為能夠清洗鮮杏表面灰塵的最小速度顽铸。噴射有效速度可使用空氣速度測試設(shè)備進(jìn)行測量。V_wmax是工作區(qū)間內(nèi)的最大速度料皇。V_b為破壞鮮杏表層的最小速度谓松。

為確定工作區(qū)域，首先確定主體階段范圍践剂。射流噴射的三個基本階段如圖5所示鬼譬，其中，V為噴嘴流動區(qū)域的速度逊脯，V₀為噴嘴初始速度优质，V_m為軸向速度。滿足V_m=V₀所指向點的噴嘴出口范圍定為初始階段军洼。主要噴射在初始階段范圍巩螃。主體階段在初始階段之后，該階段的經(jīng)驗公式如公式7歉眷，確定了該階段結(jié)束位置和消散階段的開始位置牺六。因為柱形噴嘴開口角度為四種噴嘴中最為典型的颤枪。柱形噴嘴被用來確定研究中無水清洗工作區(qū)域位置汗捡。

公式7

其中，R為噴射半徑畏纲，R₀為噴嘴半徑扇住，λ為流出區(qū)域的系數(shù)，在圓形區(qū)域噴射中為3.4盗胀，a為射流系數(shù)艘蹋，可根據(jù)材料和處理技術(shù)所確定，s為噴射范圍票灰。a值可以將仿真數(shù)據(jù)組帶入公式得到女阀；ā為a的一系類平均值宅荤，σ為|a-ā|。σ最小值位置由s'定義浸策。如果σ隨著s'逐漸增加冯键，s'后的σ值不適合公式7。因此庸汗，s'在消散區(qū)域內(nèi)惫确。

圖5 自由噴射三個階段

2.2 感應(yīng)壓力測試

2.2.1 建立噴嘴測試平臺

鮮杏無水清洗噴嘴測試平臺主要包含空氣壓縮機、壓力調(diào)節(jié)閥蚯舱、電磁閥改化、現(xiàn)場可編程門陣列（電磁閥驅(qū)動板）（FPGA），噴嘴和噴嘴氣室枉昏，如圖6所示陈肛』锻伲空氣壓縮機為測試平臺提供了高壓空氣趾诗。壓力調(diào)節(jié)閥可控制空氣壓力。電磁閥被FPGA驅(qū)動裝置控制開閉清洗閥門谅辣。并且懦窘，工作狀態(tài)下前翎，鮮杏放置在了試驗平臺的托盤上。

圖6 鮮杏無水清洗噴嘴測試原理示意圖

2.2.2 壓力感應(yīng)測試原理

由伯努利方程導(dǎo)出公式8用來計算氣體噴射時內(nèi)部的壓力畅涂，其中港华，p為空氣壓力，r為空氣質(zhì)量比午衰，v為氣流速度立宜，g為重力下的加速度。使用壓力感測篇測量相同條件下噴嘴的最大氣流速度臊岸。

公式8

2.2.3 感壓膠片測試原理

感呀膠片主要由聚酯基片橙数、發(fā)色層和顯色層組成（圖7）。發(fā)色層涂有一層微囊生色物質(zhì)帅戒，顯色層涂有顯色物質(zhì)灯帮。使用時，兩個膠片在噴嘴下且涂層相對逻住。當(dāng)高速氣流作用在發(fā)色層時钟哥，微囊生色物質(zhì)破裂釋放生色物質(zhì)。在生色物質(zhì)與顯色層之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)瞎访，顯示出不同深度的紅色腻贰。通過這種方式，獲取測試過程中的壓力分布扒秸。測試材料選擇為4LW感壓膠片播演，壓力范圍為0.05MPa~0.2MPa冀瓦，測試誤差小于10%。

圖7 4LW壓力感應(yīng)片原理

使用感壓膠片獲取不同無水清洗噴嘴的試驗數(shù)據(jù)写烤。感壓膠片通過掃描儀掃描咕幻，用來評估壓力分布。最后壓力數(shù)據(jù)通過數(shù)字圖像分析系統(tǒng)提取顶霞，輸入到繪圖軟件中獲取Surger軟件平滑后的感應(yīng)壓力分布值和分布范圍肄程。

2.2.4 測試和驗證方法

研究中，噴嘴入口速度設(shè)置為80m·s^-1选浑，用來進(jìn)行壓力感應(yīng)測試蓝厌。此外，相同的進(jìn)氣脈寬和進(jìn)氣時間被設(shè)置古徒。進(jìn)氣脈寬為250ms拓提，重復(fù)進(jìn)氣的數(shù)量為50。四種噴嘴的仿真和測試結(jié)果被對比隧膘。四種噴嘴的相同感應(yīng)區(qū)域的數(shù)字模擬和試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析代态。空氣速度仿真圖解和噴嘴測試壓力論證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性疹吃。

2.3 清洗效果評估

為了評估不同噴嘴的無水清洗小姑蹦疑，一個黑色球和白色面粉分別用來代替鮮杏和塵土。黑色球清洗前后的圖像通過相機獲取萨驶。最后歉摧， 不同噴嘴無水清洗效果利用MATLAB軟件進(jìn)行分析確定。

清洗效果計算公式如公式9所示腔呜，其中叁温，D 為清洗效果，N為清洗前黑色橡膠球圖像中的白色像素點個數(shù)核畴，n為清洗之后黑色橡膠球的白色像素點個數(shù)膝但。

公式9

清洗前后黑色橡膠球圖像作為一個組。為了更多的重復(fù)試驗谤草，每個噴嘴每組進(jìn)行了10次實驗跟束，確定每種噴嘴的平均清洗效果。最佳清洗效果的噴嘴可以最為最佳噴嘴咖刃。

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)字仿真結(jié)果與分析

3.1.1 噴嘴流動區(qū)域數(shù)字仿真結(jié)果

噴嘴出口氣流區(qū)域通過FLUENT軟件仿真泳炉。根據(jù)噴嘴氣流速度確定無水清洗工作區(qū)域的特殊位置。然后嚎杨，通過仿真結(jié)果分析確定最佳噴嘴。

如圖8所示為相同條件下四種無水清洗噴嘴出口速度分布氧腰。錐柱形噴嘴出口速度最佳枫浙，因其在四種噴嘴的主體階段最長且最寬刨肃。圖9顯示，噴嘴外部流動區(qū)域的軸向速度曲線箩帚。它展現(xiàn)了極大的不同在噴嘴出口范圍0mm到50mm范圍真友。錐柱形噴嘴和柱流噴嘴的軸向速度比扇形噴嘴和柱扇形噴嘴的軸向速度更大。在50mm到-100mm范圍紧帕。錐柱形噴嘴和柱流噴嘴的軸向速度逐漸下降盔然。所有軸向速度曲線在噴嘴出口150mm之后相對于100mm到150mm范圍緩慢下降，錐柱形噴嘴的軸向速度仍大于柱流噴嘴是嗜。柱扇形噴嘴的軸向速度接近扇形噴嘴愈案，并且兩者低于柱流噴嘴《焯拢總體來說站绪，錐柱形噴嘴在四種噴嘴中流速最大。

圖8 80m·s-1內(nèi)部噴射速度下噴嘴和流出區(qū)域的速度分布

圖9 噴嘴流出區(qū)域軸向速度

3.1.2 無水清洗工作空間確定

柱流噴嘴軸向速度數(shù)字模擬結(jié)果如圖10所示丽柿。點A坐標(biāo)為（31,80.09）恢准。根據(jù)定義，噴射主體階段位于噴嘴出口31mm處甫题。結(jié)果表明馁筐，噴射起始階段范圍為0mm至31mm。

點A的物理意義坠非、圖上意思是什么眯漩？

圖10 柱流噴嘴流出區(qū)域軸向速度

根據(jù)公式7將仿真結(jié)果輸入計算得到，a值計算結(jié)果如圖11所示麻顶。B點坐標(biāo)為（280,0.04419）赦抖，直線ā=0.044161通過計算B點時a的平均值得到。如圖11所示辅肾，a和ā的差距在距離大于280mm時逐漸曾嘉队萤。為了確定s'，范圍230mm到330mm的射流相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差σ被計算（圖12）矫钓。如圖12所示要尔，C點的坐標(biāo)為（280,0.000042）。在距離230mm到330mm范圍內(nèi)新娜，最低標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.000042赵辕。因此，消散階段s'從噴嘴出口開始為280mm概龄，主體階段范圍從31mm到280mm（圖13）还惠。

圖11 柱流噴嘴公式7中的粘度系數(shù)

圖12 柱流噴嘴粘度系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差

圖13 柱流噴嘴三個噴出階段的分布

根據(jù)噴嘴測試平臺的試驗，噴射有效速度為15m·s^-1私杜。有效區(qū)域為速度大于15m·s^-1的所有點蚕键。噴射有效寬度必須大于工作寬度60mm救欧。如14表明噴嘴存在的不同距離的有效交叉區(qū)域直徑曲線。點D和點E坐標(biāo)分別為（31,60）和（280,61）锣光。由兩個坐標(biāo)可知笆怠，工作區(qū)域M如圖14所示，適合清洗誊爹，工作區(qū)域在恩最出口280mm處蹬刷。

圖14 柱流噴嘴無水清洗有效區(qū)域直徑

3.1.3 噴嘴工作空間參數(shù)對比

每個噴嘴工作區(qū)域速度曲線如圖15所示。工作區(qū)域在距離從噴嘴出口到280mm處频丘。如上所知办成，X軸為噴嘴的軸向?qū)ΨQ軸，工作寬度為60mm椎镣。Y軸為工作區(qū)域內(nèi)噴嘴的速度诈火。錐柱形噴嘴擁有最高的速度，峰值大約為30m·s^-1状答。接下來為柱形噴嘴冷守，峰值約為28m·s^-1。根據(jù)四種噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計惊科，柱扇形噴嘴拍摇、山形噴嘴、柱流噴嘴和錐柱形噴嘴的開口角度分別為-10°馆截，-5°充活，0°和5°。分析結(jié)果表明研究狀態(tài)下的噴嘴中最大的出口角度蜡娶、最大的氣流速度混卵。

圖15 噴嘴工作區(qū)域速度

噴嘴工作區(qū)域各參數(shù)對比如表3所示。對比其他類型噴嘴窖张，錐柱形噴嘴有最小速度最大幕随、最大速度和平均速度，分別為16.23m·s^-1宿接，29.41m·s^-1和24.12m·s^-1赘淮。變異系數(shù)為0.17，為四種噴嘴中最小睦霎，證明了錐柱形噴嘴的速度為工作區(qū)域中速度最一致的梢卸，更加有利于有效清洗。根據(jù)Li的研究知副女，鮮杏最小表面硬度為約為0.23kg·cm^-2蛤高。由此，根據(jù)相關(guān)計算方法，我們可以得出鮮杏表面所能接受的最小速度為189m·s^-1襟齿。工作時的最大速度為29.41m·s^-1姻锁。因此枕赵，最高速度氣流不會損壞鮮杏猜欺。總體而言拷窜，主流行噴嘴為評估的四種噴嘴中最佳开皿。

表3 工作空間仿真結(jié)果對比

3.2 壓力感應(yīng)測試結(jié)果

試驗平臺測量結(jié)果為0.5MPa，能夠提供80m·s^-1的噴嘴進(jìn)口氣流速度（表4）篮昧，因此0.5MPa設(shè)為測試是的工作壓強赋荆。為確保測試的準(zhǔn)確性，每種噴嘴每次持續(xù)噴射相同狀態(tài)1.2秒噴霧懊昨，連續(xù)測試50次窄潭。測試距離為距離噴嘴出口的距離，因應(yīng)變片的感應(yīng)限制設(shè)為10mm酵颁。脈沖寬度設(shè)為250ms嫉你。表5給出了壓力感應(yīng)測試時工作參數(shù)。

表4 測試平臺空氣壓縮和氣流速度相關(guān)性

表5 壓力感應(yīng)測試工作參數(shù)

圖16顯示了四種噴嘴感壓膠片的壓力分布躏惋。柱流噴嘴幽污、錐柱形噴嘴、扇形噴嘴和柱扇形噴嘴總壓力區(qū)域分別為123mm²簿姨，142mm²距误，92mm²和82mm²。壓力分布區(qū)域大于四種噴嘴0.14MPa時的23mm²扁位，27mm²准潭，6mm²和5mm²。由此可知域仇，總體噴射感壓區(qū)域錐柱形噴嘴面積最大刑然，四種噴嘴中的噴射區(qū)域最集中。在相同感應(yīng)區(qū)域殉簸，四種類型噴嘴壓力值被計算闰集，用來分析四種噴嘴的不同表現(xiàn)。感應(yīng)區(qū)域為78.5mm²般卑，感應(yīng)區(qū)域的中心為圓心武鲁，半徑為5mm。并且蝠检，數(shù)字模擬平均速度數(shù)據(jù)在出口到10mm時被提取用來對比試驗結(jié)果沐鼠。圖17顯示了試驗和仿真結(jié)果。數(shù)字模擬的速度值順序為錐柱形噴嘴、柱流噴嘴饲梭、扇形噴嘴和柱扇形噴嘴乘盖，測試壓力的順序相同。

圖16 每個噴嘴壓力應(yīng)變片壓力分布

圖17 4種類型噴嘴測試壓力和仿真速度

3.3 無水清洗效果對比

無水清洗效果通過清洗前后圖像相減得到憔涉。在作差之前订框，先用MATLAB軟件進(jìn)行預(yù)處理（圖18），比如灰度變換兜叨、背景分割穿扳、邊緣提取和邊緣填充。圖18顯示了錐柱形噴嘴比其他噴嘴的無水清洗效果更佳国旷。每種噴嘴進(jìn)行了10次重復(fù)無水清洗試驗并取平均值（表6）矛物。錐柱形噴嘴平均清洗效果為99.07%，為四種噴嘴中效果最高跪但。使用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析履羞，95%置信區(qū)間內(nèi)四種噴嘴無水清洗效果如表6所示。并且屡久，錐柱形噴嘴比其他三個效果更好忆首。試驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

圖18 無水清洗效果圖像處理：“XX_A”代表XX噴嘴清洗之前的圖像涂身；“XX_B”代表XX噴嘴清洗后的圖像

表6 四種類型噴嘴無水效果

4 結(jié)論

該研究中雄卷，利用FLUENT軟件進(jìn)行了四種不同類型噴嘴的無水清洗主要特征的仿真，確定了鮮杏無水清洗工作區(qū)域和最佳清洗效果蛤售。感壓測試和無水星期效果區(qū)分評估了仿真結(jié)果丁鹉。

在研究中，因為在相同條件下悴能，錐柱形噴嘴在工作區(qū)域內(nèi)提供了四種噴嘴中最高且均一性強的氣流速度揣钦，被認(rèn)為是最佳噴嘴。四種噴嘴的開口角度是改進(jìn)無水清洗效果的重要因素漠酿。

仿真和試驗結(jié)果對比的相關(guān)性證明了使用方針確定噴嘴效果的可行性冯凹。更進(jìn)一步地，本研究中的方法可以作為接下來工程技術(shù)工作和未來研究中優(yōu)化無水清洗噴嘴的參考炒嘲。

本研究中宇姚，錐柱形噴嘴被確定為無水清洗的最佳噴嘴。進(jìn)一步研究可以探索鮮杏無水清洗中錐柱形噴嘴的最佳收口角度夫凸。

致謝

作者十分感謝國家科學(xué)和技術(shù)項目支持和石河子大學(xué)高層次人才項目浑劳。作者同樣感謝李碩和馮哲在感壓測試中的指導(dǎo)。