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基于低温气体环境冰粒即时制备及冰射流表面脱漆研究

作　者: 李德玉
导　师: 段雄
学　校: 中国矿业大学
专　业: 流体力学
关键词: 冰粒制备冰射流液氮沸腾蒸发冻结脱漆
分类号: O358
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

冰射流技术作为绿色加工新工艺，在表面清洗除垢和表面脱漆等领域表现出了巨大的应用潜力和广阔的应用前景。本论文以教育部科学技术研究重点项目“过冷水动态生成高压冰射流技术及应用”(编号：03026)为依托，以冰射流表面脱漆工程应用为背景，提出并开展了低温气体环境冰粒生成机理和射吸式冰射流喷嘴内冰粒引射机理的研究；设计并构建了低温气体环境冰粒即时制备系统和冰射流表面脱漆系统；开展了冰粒即时制备基本规律和冰射流表面脱漆试验研究。本文全面分析了冰射流技术的研究现状，重点介绍了现有技术中的冰粒制取方法，提出了低温气体环境快速制取低温球形冰粒的系统模型。利用相变动力学、传热传质及多相流理论对冰粒生成过程进行理论分析，提出了水滴凝固阶段的“冰球”物理模型，并在此基础上建立了低温气体环境冰粒生成过程数学模型。结合“温度回升法”计算分析了水滴在低温气体中的冻结成冰规律。基于液滴沸腾蒸发机理的分析，结合离散液滴多相流模型建立了液氮雾化蒸发过程数学模型。计算分析了有限空间内液氮雾化蒸发生成低温气体的温度场和速度场特点。开展了低温气体中冰粒即时制取基本规律的试验研究，重点研究了水雾化参数对生成冰粒温度、粒度分布和粘结情况的影响。基于可压缩流体动力学理论和气固两相流理论，建立了射吸式冰射流喷嘴内气体冰粒两相流动数学模型，开展了冰粒气力喷射形成冰射流机理的数值研究，计算分析了不同喷射压力下冰射流喷嘴内部气体射流特性、冰粒在喷嘴中的引射加速过程以及气体射流对冰粒速度和温度的影响。构建了冰射流表面脱漆试验系统，针对铝合金2A12和聚丙烯树脂基体开展了冰射流表面脱漆试验研究。本文的主要结论如下：①在分析冰的基本热物理属性、力学特性和粘结特性基础上，结合冰射流技术的特点，提出了适合冰射流技术使用的冰粒温度范围是-27℃到-60℃。②通过建立的低温气体环境冰粒生成过程数学模型，计算分析了水滴在低温气体中的冻结成冰规律。计算结果表明在-60℃的低温气体中，粒径为0.15mm的水滴在下落约0.4m的过程中就可生成-50℃的冰粒。针对有限空间内液氮雾化蒸发过程的数值模拟表明液氮雾化蒸发形成的低温气体空间温度场分布不均匀、不稳定，但气流组织比较简单且流速较低。③在液氮雾化沸腾蒸发制冷和冰粒生成过程计算分析的基础上，设计了可连续即时制取低温冰粒的试验系统，试验研究了冰粒制取的基本规律。结果表明该系统可以连续制取温度低于-30℃、粒径小于0.425mm的球形冰粒。④针对冰粒在射吸式冰射流喷嘴内的引射加速过程数值计算表明，被引射低温气体流量是形成冰射流的关键。低的引射气体流量容易造成冰粒驻留时间过长，引起冰粒堵塞喷嘴。⑤针对铝合金2A12和聚丙烯树脂试样的冰射流表面脱漆表明，冰射流可以有效清除两种试样的油漆涂层；压力较高时，冰射流会导致聚丙烯树脂基体表面粗化，表面粗糙度随喷射压力的增大及喷射时间的延长而增大，但没有引起铝合金基体表面的明显改变。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
Extended Abstract  10-12
目录  12-26
1 绪论  26-36
  1.1 研究背景  26-27
  1.2 冰射流技术综述  27-33
  1.3 研究方案  33-34
  1.4 研究内容  34-35
  1.5 研究目标  35-36
2 冰粒特性分析  36-50
  2.1 冰的热物理属性  37-39
  2.2 冰的力学性能分析  39-42
  2.3 冰粒表面粘结特性研究  42-49
  2.4 喷射冰粒温度范围的确定  49
  本章小结  49-50
3 冰粒制备机理研究  50-67
  3.1 水滴冻结生成冰粒过程  51-52
  3.2 水滴凝固过程物理模型的提出  52-53
  3.3 水滴凝固过程理论分析  53-57
  3.4 冰粒生成过程数学模型的建立  57-60
  3.5 冰粒生成过程的计算与分析  60-65
  本章小结  65-67
4 液氮雾化蒸发制冷研究  67-88
  4.1 液氮液滴平衡蒸发速率的确定  67-73
  4.2 液氮雾化蒸发模型的建立  73-78
  4.3 单液滴蒸发过程计算与分析  78-81
  4.4 液氮雾化蒸发生成低温气体空间的数值研究  81-87
  本章小结  87-88
5 冰粒制备的试验研究  88-100
  5.1 液氮雾化系统设计  88-90
  5.2 水雾化系统设计  90-93
  5.3 低温容器设计  93-94
  5.4 温度测量  94
  5.5 冰粒制备试验  94-99
  本章小结  99-100
6 冰射流形成机理研究  100-119
  6.1 冰射流喷嘴内流一维气体动力学分析  100-103
  6.2 冰射流喷嘴内气体射流特性数值研究  103-111
  6.3 冰射流喷嘴内冰粒引射机理数值研究  111-118
  本章小结  118-119
7 冰射流表面脱漆试验研究  119-135
  7.1 冰射流脱漆试验系统设计  119-121
  7.2 脱漆试样的制备及涂层结合强度的测定  121-122
  7.3 脱漆试验方法与试验内容  122-123
  7.4 脱漆试验结果与分析  123-134
  本章小结  134-135
8 结论与展望  135-138
  8.1 结论  135-136
  8.2 展望  136-138
参考文献  138-145
作者简历  145-147
学位论文数据集  147

基于低温气体环境冰粒即时制备及冰射流表面脱漆研究

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