外墙清洗机锥直型喷嘴清洁效果分析

王胜蓝，叶邦松，袁方，侯飞宇，汤志仁，江鸿博

（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院）

0 引言

近年来，高楼外墙清洁领域逐渐引起关注，传统人工清洁方式是挂在外墙的“蜘蛛人”进行“一人一绳式”清洁[1]，如图1 所示。

图1 人工清洁Fig.1 Manual cleaning

据市场调查，在天气良好的状况下，人工清洁高楼外墙的清洗速度为每天300～500 m2。玻璃幕墙清洗是一种高风险高空作业，我国每年都有几万人因高空作业发生危险[2]。因此，研究高楼外墙清洁机器人进行高楼复杂清洗作业具有现实意义。

目前，高楼外墙清洁机器人主要面临墙体形状结构复杂带来的越障困难、清洁效果不佳等问题。以清洁方式分类，外墙清洁包括接触式与非接触式2 种。接触式清洁包括盘刷式、滚刷式、海绵清洁等；非接触式包括射流喷嘴清洁等。接触式清洁及时清洁墙面残余水珠，但会因越障运动影响清洁效果；非接触式清洁克服了越障问题，但以喷嘴射流为主的方式难以去除壁面残余水渍。

为了兼顾接触式与非接触式清洁的优点，以气、水两相为介质的高压水射流清洗技术作为一种应用广泛的清洗技术[3]用于制造切割和工业清洗[4]。与化学清洗相比，该清洗技术具有工作效率高、无污染、目标范围广、清洗成本低等诸多优势[5]。喷嘴作为高压水射流清洗系统中的关键部件之一，主要作用是改变高压水射流的运动和动力特性，对清洗效果影响最大[6]。喷嘴型式按形状划分有锥形、扇形、异形；按压力划分有低压、高压、超高压；按孔数划分有单孔、多孔[7]。其中，锥形喷嘴射流能获得较高集聚能的集束射流，多用于远距离水清洗场合[8]。

本文研制了一款以气、水两相流喷嘴射流为主的清洁机，着重研究清洁距离对喷嘴射流压力、清洗效果的影响，为外墙清洁应用提供参考。

1 喷嘴二维模型建立

图2 为外墙喷洗机工作图，为了提高清洁效率，喷洗机清洁单元主要采用以锥直型喷嘴清洁的气、水两相混合流体进行外墙清洁。

图2 喷洗清洁机作业Fig.2 Operation of spray cleaning machine

1.1 锥直形喷嘴模型

以锥直型喷嘴为研究对象，研究0～500 mm 距离下单喷嘴湍流场的流体压力、速度。高压圆柱形喷嘴二维模型如图3 所示，锥直形喷嘴收缩角α=13°，长径比l/d=2.5，接入段长度L=20 mm，出口直径d=1 mm，喷嘴入口工作压力为30 MPa，l'=5 mm。

图3 喷嘴相关参数Fig.3 Related parameters of nozzle

图4 为喷洗机单喷嘴几何模型，其中ABCDIJKL为喷嘴流场区域，EFGH为外流场区域，设AL为射流入口，AB、BC、CD、DE、HI、IJ、JK、KL、FG为壁面，EF、HG为出口边界。

图4 单喷嘴二维模型与流场几何模型Fig.4 Two-dimensional model of single nozzle and geometric model of flow field

1.2 边界条件

选择Fluent 软件中多相流VOF 均质模型，粘性模型选择湍流模型，重力加速度取9.81 m/s2，计算时间步数选择1 000 步，时间步长选择10-8，壁面为无滑移壁面，边界条件入口压力选择30 MPa,标准湍流方程为

式中：Gk——平均速度梯度引起的湍流动能；Gb——浮力引起的湍动能；YM——可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响。

湍流粘性系数μt

式中：Cμ——黏性扩散系数；C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09。湍流动能k，耗散率ε的普朗克数分别为δk=1.0，δε=1.3。

2 仿真分析

采用不同壁面距离时，喷嘴清洁到壁面的压力有所变化，通过仿真分析，喷洗机喷嘴清洁距离与其到壁面的压力、速度关系如表1 所示，根据表1生成流体压力、速度曲线，如图5 所示。

表1 不同距离下喷嘴射流流体压力与速度Tab.1 Pressure and velocity of nozzle jet at different distances

图5 轴向距离与射流压力、流速的关系Fig.5 Relationship of axial distance with jet pressure and velocity

由图5 可知，距离200 mm 以上流体压力出现波动，距清洁墙面400 mm 时，出现了喷嘴空化现象[9]，这是由于流场中气泡产生、分裂再到破裂的作用，导致流体压力急剧下降，而流速也受到一定影响。另外，打击到壁面上的流体速度起伏不大，平均值控制在230 m/s，流体压力随着轴向距离的增大而变小。

为了进一步验证喷嘴射流清洗对喷洗机清洁外墙的影响，选择中间值300 mm 进行仿真分析。

图6 为网格模型，为了提高仿真精度，采用六面体网格单元划分喷嘴射流模型，网格单元尺寸设置为1 mm，网格单元数24 127，节点数24 533。图7 为模拟喷嘴射流。

图6 单喷嘴射流流场网格模型Fig.6 Grid model of single nozzle jet flow field

图7 模拟喷嘴射流Fig.7 Simulated nozzle efflux

图8 是喷洗机喷嘴距清洗壁面300 mm 射流压力、速度以及水流体积分数。观察图9 可以发现，300 mm 下喷洗机清洁保持232 m/s 射流清洗速度，压力稳定在9 MPa 左右，而一般清洁墙壁需要8～10 MPa 清洗压力，满足射流喷洗清洁要求。

图8 300 mm 下喷洗机喷嘴两相分布、流速、压力云图Fig.8 Cloud diagram of nozzle two-phase distribution,flow rate and pressure of spray washing machine at 300 mm

图9 300 mm 喷嘴压力、速度曲线Fig.9 Pressure,velocity curve of 300 mm nozzle

3 喷嘴压力速度计算与实验

3.1 计算喷嘴射流速度

当喷洗清洁机喷嘴在外墙清洗作业时，喷洗在壁面上的流体压力越大射流清洗速度越快，射流速度压力简化公式[10]为

式中：P——喷嘴入口前流体压力，MPa；V——喷嘴出口前流体速度，m/s。

计算可得入口压力30 MPa，喷嘴射流出口速度V=245 m/s，Fluent 仿真结果流体速度在232.5 m/s 左右，在误差允许范围之内。

3.2 喷嘴射流实验

为进一步验证仿真与计算结果的可靠性，本次实验采用锥直型喷嘴进行壁面清洁，图10 为喷洗机喷嘴实验布置图，图11 是锥直形喷嘴。外部通过空压机与水泵通过二拖一接头与喷洗机内部管路连接，最后喷洗机通过锥直型喷嘴进行射流清洁。

图10 实验场景布置Fig.10 Experimental scene layout

图11 锥直形喷嘴Fig.11 Cone straight nozzle

改变壁面与喷洗机距离，观察清洗效果，如表2 所示，可见在0～300 mm 时，清洗面积较小，射流冲击力过大导致壁面出现水珠，影响清洁效果；随着喷洗距离增加，喷洗机清洁面积有一定的扩大，射流冲击力衰减，残留在壁面水珠减少，距离在300～500 mm 时，清洗效果更佳。

表2 喷洗机在不同清洗距离下的清洗效果Tab.2 Cleaning effect of spray washing machine at different cleaning distances

为了进一步验证喷洗机在300 mm 距离下的清洗效果，在喷嘴入口直径、长径比、入口压力等基本参数不变的情况下，观察其对外墙的清洁结果，图12 为清洁机外部实验，由图13 可见距离墙面300 mm 左右时，玻璃的透明程度与去污程度明显。

图12 喷洗机清洁实验Fig.12 Cleaning experiment of spray washer

图13 300 mm 距离喷洗机清洁效果前后对比Fig.13 Comparison of cleaning effect of 300 mm distance spray washer

4 结论

本文基于当前外墙清洁复杂困难程度以及射流清洁技术的广泛应用，通过喷嘴二维建模、模拟喷嘴射流流场，利用计算机Fluent 软件仿真，得出喷嘴在0～500 mm 距离内流体压力与速度关系，即轴向距离越长流体压力越小，受入口压力影响，打击在壁面的流体速度起伏波荡不明显。为了验证仿真效果，通过相关公式计算与清洁效果实验，进一步验证喷洗机射流模型在300 mm 下清洗效果良好，对外墙清洁行业具有一定的参考价值。