北京康迪喷码技术部分原理Word下载.docx
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该发射体的喷嘴压力为:
(2.5)
非共振发射体(图2.1,B)管长L>>(4f)。
同时,当极限跨越时,根据(2.3)拉模的压力按下列公式求解:
(2.6)
式中与喷嘴和管子之间盒子的非柱性有关的误差按因子0.5<α<1求解。
为求最终效率指数(初始速度脉动振幅),对拉模中的液体流动进行了详细分析。
如不计喷嘴的很小压力相位,应采用下列公式:
(2.7)
在选定的近似值中纳维尔-斯托克斯方程具有以下形式:
(2.8)
允许压力和速度只取决于一种空间变换(没流线方向的曲线坐标)。
同时,速度
只有一个组分V,符合以下条件:
(2.9)
当自喷嘴向管子深部移动大约喷嘴半径时,视沿喷嘴通路的速度(V1)为恒定和快速下降的,按坐标求公式(2.9)的积分
(2.10)
式中,ι为喷嘴的有效长度。
喷嘴的流速可为傅立叶级数段:
(2.11)
将其代入(2.10)并等于相应项后求傅立叶系数:
(2.12)
第20页中间
绘制喷头概括结构振动系统等效电动机械图、机械模型、算法,以及数字模块化和振幅频率特性、效率和喷头的一系列其它输出参数计算大纲。
首先研究同步频率和结构几何参数对发射体效率的影响。
采用电动机械模拟的方法对滴液形成声音同步流程进行模式化。
喷头为机械振动系统,由压电陶瓷转换器、阶式集中器、发射体工作盒中液柱和喷嘴部件毛细管中液柱组成。
分析声音同步流程就是要计算绘制的发射体振动系统等效电动机械图,见图2.3,图中采用以下符号:
U为同步电压,С0为压电部件的电容,N为电气机械变换系数,Z1,Z2,Z3为压电部件有效电阻,ZH1,ZH2为压电部件负载,ξ1,ξ2为压电部件端头振动速度。
参数比为以下形式:
(2.30)
图2.3自由压电杆等效电气机械图
第21页
式中,А为电极面积;
n为压电部件段数;
h为段高;
Ln为压电部件高度;
K33,
为压电陶瓷常数
压电陶瓷转换器一端载有电阻ZH1,为阶式集中器的输入阻抗和负载四端网络。
负载电阻ZH为工作盒和喷嘴通道内液柱阻抗。
采用四端网络理论求得负载集中器和自由集中器的电阻。
压电部件二端装载有电阻ZH2,该电阻为外壳的输入电阻,即其特点是外壳部件具有弹性和摩擦损耗。
一次近似值中该回路可视为开路。
求出等效电气机械图的所有参数,可求出发射体振动系统的全部机械阻力ZM和集中器输入端的振动速度ξ1。
集中器(喷嘴)的输出端振动速度按下列公式计算:
(2.31)
式中,М为负载集中器的增益系数。
第22页
根据振动速度ξk,求出工作盒输出端压力的交变分量P1和喷嘴射流速度交变分量V1。
(2.32)
为方便理论与实验比较,发射体效率指数采用至射流碎化点的距离Lдр。
如果扰动小,即满足条件Lдр≥10λ,可以采用雷列耶夫线性不稳定性理论成果,并按下列公式进行计算:
(2.33)
式中,缺公式
所研制的滴液形成声学同步流程模块采用PASCAL语言通过计算法(图2.4)实现。
该计划可根据同步频率和结构几何参数计算喷头的效率。
图2.5标明利用该计划获取的其中一个发射体的20至83千赫兹之间频率振幅特性。
图2.5还标明了集中器负载阻力ZH的频率特性及喷嘴的振动速度ξk,幅度。
设定关系曲线Lдр具有最小阻力抗共振ZH频率,以及最大振动速度ξk幅度(最大效率)。
用下列公式求出抗振频率和喷嘴最大振动幅度:
(2.34)
式中,Lk为集中器输出级长。
可通过波导管几何尺寸调节这些频度。
根据研制的数学模块进行数字模拟的结果完全符合试验数据。
其中,压电陶瓷本身振动与其固定条件有关的复谱可影响偏差。
夹紧的压电陶瓷垫圈可产生弯曲振动,低频本振适应该种振动。
第23页至25页
2.输入初始数据
C0,X0,N,Ln,Cn,Pk,S1,L1,S2,L2,
Pж,Cж,R错误!
链接无效。
L错误!
rc,Lc,R,Vo,ZH2,U,α,f,Δf
3.计算阶式集中器的阻抗矩阵ZÜ
以下皆少公式
4.计算自由集中器的输入阻抗
5.计算喷嘴通道的声阻抗
6.计算工作盒内液柱的声阻抗
7.计算集中器的负载阻力
8.计算负载集中器的输入阻力
9.等效电气机械图元件计算
10.计算等效图完全机械阻力
11.计算集中器输入端振动速度
12.计算负载集中器增益系数
13.计算集中器输出端振动速度
14.计算工作盒输出端压力交变分量
15.计算喷嘴射流速度交变分量
16.计算δ
17.计算射流未分裂部分长度
18.输出打印
F,ZH,ZCB,ZH1,ZM,ξk,p,V1,Lдр
19.输出打印
f=f+Δf
21.
结束
是至К3
20.
F=200·
103赫兹
图2.4系统振动计算框图
第26页
研制数学模块、算法及数字模拟和射流强制毛细管分解程序。
数学模块总体可以写成方程组
(2.35)
当λ>>r时,可忽略非轴性速度组分、径向压力梯度和射流表面与轴的倾斜度。
轴对称流动则宜采用以下方程组:
(2.36)
缺图
图2.5喷头振动系统数字模拟:
集中器负载阻力频率特性(а),喷嘴部件振动速度幅度(б),至碎化点的距离(в)
同种截面射流标准情况下,模块中射流初始段项序的评定:
少公式
第27页
前两个惰性项比其它的大得多并几乎完全互补。
考虑表面张力的第三项是小激励,与勒列耶夫碎化相比是快项和射流扰动幅度增加的情况。
当采用勒列耶夫碎化时,在表面张力作用下,小的正弦变化增加为еγt=eγx/a,式中未考虑粘性
(2.37)
如果忽略表面张力和粘性,初始段上射流半径按正弦方式,实际上是按直线定律变化。
(2.38)
当x<<a/γ时,在勒列耶夫碎化情况下,产生不匀等b<<γa/ω,以及主要在表面张力作用下产生扰动。
研究0.05
b<0.8a很重要。
上限马上与拉模不定期射流始端相吻合(转为脉冲压力喷射)。
第四项比第三项小得多。
这样可忽略速度梯度大的特别区域外的粘性。
近表层层的影响视为小扰动。
射流扰动流程特点如下。
在初始区射流半径呈正弦变化,并且幅度按线性定律增加。
随着不均匀性达到分率值rд,突起处变尖。
凹部加长。
在某种情况下x=a2/bω在峰顶出现滴晶核。
然后凹部继续加深和变平,晶核膨胀,数量增加。
其中,对于所研究的标准情况,当b=a/3时,出现晶核的坐标为x﹡
0.38λ,达到坐标x=λ/2的液滴晶核特性半径为1.7r0。
第28页
还分析了表面张力对射流进化的影响。
粘度对大速度斜度区的影响很大。
首先就是拉模内的射流区,粘度导致产生低速层流附面层。
在飞射流中附面层影响液滴形成和星点形成,在粘度作用下会进一步发展。
一种情况下采用小扰动的方法考虑附面层和表面张力的影响。
方程组的求解形式如下:
=V+ω,
+
且|W|<
<
V,|r2|<
r1。
在液滴形成区及当小数值x(约为拉模的数个长度L)时不能满足该要求。
射流开始区形成确定对W和r2进行小型修正的起始条件。
代入坐标y=
-
。
附面层受到限制y<
正如随后计算所示,附面层方案集中在拉模内
0.05R0并适用于у<
0.25r0。
在拉模通道内可采取x,y坐标内用布拉兹努西法求解纳维尔-斯托克斯方程:
缺少公式
在极限条件下
(2.39)
则方程形式为
(2.40)
式中,当z<
3时U(z)
0.3z并且当z>
3时很快接近1。
第29页
在长度为~ι起始段,由于
条件取代了当у=0时
条件,附表层产生重组。
该流程导致形成较小速度偏转的厚度等级附面层:
V0-
~0.25V0。
该层装置的部件对有效分析并不重要。
有作用的只是特性厚度和偏转
采用模型速度分配举例说明慢附表层对射流发展影响的物理过程。
当x=L
(2.41)
根据方程组的求解结果评定对长度进行小型修正等级并详细说明其状态。
在液滴晶核之间的跨接中间部分速度和半径对粘度的修正量小。
同时在液滴尾部为正修正,在液滴前部为负修正。
修正比跨接半径快,十分接近晶核,达到尺寸~r1。
粘度(附表层)的影响可以解释液滴有“尾部”的原因。
详细说明对射流强制毛细管碎化的数字化研究。
无限度自由射流准单维流数学模型表达形式如下:
(2.42)
(2.43)
式中,(2.44)
(2.45)
(2.46)
(喷嘴切口)起源的边界和起始条件及扰动定律表达形式如下:
(缺公式)
第30页
为达到解(细水)准单维方程的单值性对粘度和表面张力的小量(We>
>
1,Re>
1),以及衍生求解(短毛细波幅的忽略性)进行限制。
这足以单值确定长波幅。
建议的设置定期求解算法包括以下程序(图2.6)。
采取沿轴向坐标自起源至射流碎化点分步骤恢复流动。
在每一个步骤中,根据时间通过射流半径起始点和流速参数值进行求解。
图2.7标明射流的机械剖面。
线性化方程对射流的起始部分进行了详细的描述。
另外,在起源附近有转入指数增长区的扰动线性增长区。
利用模型对粘度对射流碎化流程的影响进行数字化研究(图2.8)。
规定,大粘度时,分裂之前先出现“项链”式形状。
第31页
图2.6描述射流毛细管分裂的准单维方程数字化求解图:
а和б是准确求解в的一次近似值和二次近似值。
根据研制的数学模型和程序,对射流流速剖面、粘度、表面张力和扰动幅对毛细单分散和星点形成的影响进行数字化研究。
变化以下范围内的参数,进行毛细波(射流)剖面的数字化研究(图2.9.2.10):
Δv/v0∈{0.0002;
0.002;
0.01;
0.02;
0.03};
Rce∈{30;
100;
400;
800;
1000};
We∈{140;
200;
300};
d/r0∈{0;
0.1;
0.2;
0.3};
H=ro/λ={0.05;
0.06;
0.07};
Lдр/λ∈{6;
6.6;
7.8;
8.4;
10.6;
10.7;
11.6;
13.3;
13.4;
15.2;
15.5;
16;
17.3;
17.9;
20.1;
20.4;
22.8;
24.6;
26.6}。
经确认,起源速度剖面对毛细波(射流)、断续液滴的剖面,以及星点的形状、尺寸和样式有很大的影响。
当附表层起始厚度d/r0=0.1时,该影响就很大并归结为两个作用。
当常设扰动幅度时附表层厚度增加,例如,由于粘度增加,毛细管加长或其形状变化,射流未分裂部分的长度加长。
这与截面速度不均匀加快(均和)半径振动有关。
该作用得到加强,边界层加厚。
第32页
图2.7射流半径与轴向坐标在自起源至碎化点范围内相互关系数字化模拟结果:
Re=1000;
We=200;
r0/λ=0.07;
V=V0[1+0.03sin(0.4V0t/r0)]
图2.8对粘度进行变换时射流计算剖面图:
We=200;
Δv/v0=0.03;
a-Re=30;
б-Re=100;
в-Re=1000
另一个作用是拉长尾部,当d/r0=0.2时达到最大。
边界层的影响越大,射流越短,即扰动越强。
其中,对于小于20空间期的射流,厚度大于d/r0=0.1的边界层很重要。
总之,为控制液滴形成和星点形成,必需比较扰动幅增加速度和速度剖面图的张驰。
如果第一个超过,则进行碎化,不产生星点或产生快速星点,否则产生慢速星点。
中间方式保证过渡星点。
这样,星点的形式由形成慢速星点的单维射流的自然趋势与边界层对尾部拉长之间的竞争决定。
对于短射流,尾部拉长得强烈。
根据实验数据对边界层的半经验主义评估表明,边界层的厚度可达到d/r0≈0.5。
因此必须查明速度剖面图的简单近似法。
然而在这种情况下,可出现以下作用:
速度剖面图主分量引发的混合,细慢速边界层引发的尾部向后拉长。
大量试验证实,长射流有慢速星点或者短射流有无星点状态。
游动星点状态很危险。
研究了控制剖面张驰的方法。
第33页
对研制的声音同步(轴向或径向激励)喷头进行广泛实验研究(图2.11)。
为此研制了通用实验成套设备。
实验装备(图2.11B)包括喷头1,恒定压力源2,频闪观测装置3,工作液盒4,配有监视器和特种摄影机的摄像机5,与压电陶瓷转换器连接的同步电压发生器6,频率计7,电压表8和压力表9。
该装置可在研究过程中进行观察、测量和摄影记录。
为准确测量喷嘴部件和喷头其它部件的轴向和径向振幅,在迈克逊激光双射束干涉仪的基础上试验成套设备增加了光电感应部件(图2.12)(激光干涉测量)。
光学量子发生器1(λ=0.63мкм)辐射到分光体2,幅度分为两个均等部分。
其中一部分射到固定镜面3上,另一部分射到固定到喷头喷嘴部件5上的活动镜面4。
光束自镜面3和镜面4反射并返回至棱镜体的分光面,在此进行干涉并导向光圈7。
通过光圈的光线射向光电感受器的光敏面8,放大器9进行放大并进入双束示波器10的一个输入口。
同步信号发生器6向示波器的另一个输入器传送同步信号。
必须控制这些信号的形状、波幅和频率。
在定期将镜面4向光圈面7位移时,观察光圈孔干扰图的位移情况。
光电感受器以变换通过光圈光束强度的视图接收这些位移,并将其转变成相应波形图。
部件1和部件2之间可安装望远系统。
第34页
图2.12,б,в标明同步电压和光电流波形图。
并且图2.12,в符合最准确的波形信号处理方法。
这种情况下,按下列公式求喷嘴轴向振幅:
(2.47)
式中,σ为喷头振动期极值数,
ι*为极值的波形图振幅
图2.11喷头结构(а,б)和试验装置图(в):
а为轴向激励发射体;
б为径向激励发射体
图2.12迈克逊激光双射束干涉仪基础上光学电子支架(а)和可接收信号波形图(б,в)
第35页
为研究快速流过有影响的因素和流程设计,制造了激光瞬间显微照相装置。
装置包括激光辐射源、电光快门、微光学投影仪、光纤电缆、电子快门控制器、特种摄影机,在一次和二次曝光工作状态下,保证曝光时间不超过50毫秒,相对喷头的同步信号具有可控延迟。
放大倍数为24x,在负片区有比例格,间距为10微米。
试验研究包括以下可变参数集(试验超空间)dc∈{50;
55:
60;
75;
80;
300;
500;
1000:
2000}мкм;
Lc/dc/∈[0.5;
10];
Lnk{0.35;
0.5;
1:
1.5;
2;
15;
20;
25:
30}мм;
Lж∈{30;
47;
}мм;
dΦ∈[0.5;
l.5]мм;
Ac=∈[0;
0.46]мкм.p0∈[64;
400]千帕;
V0∈[5;
26]m/c:
V1/V0∈[0.0002;
0.05];
Lдр∈[1.62;
13.8]мм;
λk/dc∈[3;
dk∈[70;
4000]мкм;
dcn∈[5;
25]мкм;
/fk∈[10;
200]千赫兹,Uсм[0;
250]B;
p∈[0.775;
1.35]克/立方厘米;
η∈[1;
72]兆帕秒;
σ∈[23;
97]мР/м.
研究喷头时某些可用工作液的参数详见表2.1。
第36页
表2.1
序号
名称
浓度,
%
P,克/立方厘米
η,
兆帕秒
σ,
мН/м
1
蒸馏水
2
甘油浆
3
同上
4
5
6
7
8
9
10
11
蔗糖浆
12
13
14
乙醇
15
乙醇浆
16
17
18
NaOH
19
“彩虹”墨水
对射流未分裂部分和射流分裂特性的影响及喷头结构几何参数和状态参数的滴液形成和星点形成进行研究。
参数Lдр与射流碎化(分裂)、液滴形成和星点形成图是喷头的信息量最大的输出特性。
发射体和工作液体的参数关系族可选择最佳结构和工作状态,以保证需要的效率指标、微型性、生产率、稳定性、打印质量、分辨能力等。
其中,尺寸Lдр和射流剖面图、峡、星点和液滴从起电动力学角度看确定液滴形成的极限频率,以及信息和寄生充电、随后振动流程和离子再循环及其空气动力制动的尺寸。
研究关系Lдр和分裂图广泛采用研制的频闪和远距监控装置、迈克逊激光干涉仪、压电陶瓷加速度表、激光和频闪显微照相术。
在研究过程中用“彩虹”墨水、作为模型液体的蒸馏水和其它混合物,采集了轴向和径向激励喷头的Lдр(fk,Uc,Po,Vk,dc,λk/dc,Lж,Fcж)型关系集。
采用以下特性名称:
Lдр(fk)为频率特性,Lдр(Uc)为振幅特性,Lдр(p0),Lдр(V0)或Lдр(λk/dc)为勒列耶夫特性。
第37页
图2.13提供各种压力(流速)的标准关系Lдр(fk)。
关系可为每一条曲线求出振动频率波段(fmin,fmax),以及各种效率的共振和反共振频率。
计算为所研究的带轴向激励的一个发射体的指定几何提供以下液柱共振频率:
fT∈{7777,23333,38885,54439,85547,101101,116655,132209,147763等}赫兹,而试验获得fэ.ср{8100,13020,21969,23348,31784,34500,38331,41136,45543,54671,71100,87474,121387,134439,146373}赫兹。
实验所得共振与液柱和喷墨器的共振有关。
所有曲线的最有效共振约为22千赫兹,下一个大共振频率为38千赫兹,随后是一系列低频共振。
曲线右边界与违反勒列耶夫(标准)射流稳定性损失条件有关。
发射体的结构特点,其中包括各部件的连接形式,可以解释有其它振动和“振动的断续响声”的原因。
关系可为射流的各个速度求出最大可能液滴形成频率,如果在该频率周围发现液柱或集中器共振,则选择该工作状态为最大生产率的工作状态。
因此,当射流速度为Vk=25.1米/秒时,求出134千赫兹频率的高效率、单分散流和无星点形成的共振。
表2.2中列出一些实验特性。
表2.2
p0
Vk
fk1,千赫兹
Lдр.мин.,毫米
fmax,千赫兹
λmin,毫米
第38页
Зонамонодисперсногокаплеобразования单色散液滴形成区
кГц千赫兹
мм毫米
图2.13(开始)
第39页
ПриUk=10в,F=134495Гц,L=3.4мм当Uk=10в,F=134495赫兹,L=3.4毫米
图2.13(续)射流未分裂部分长度实验频率关系和幅频特性:
а,б,в,г,д,е-当流速为8.9;
11.2;
17.6;
13.45;
22.1;
25.1米/秒(Uc=3.18B;
dc=74мкм;
Lж=45毫米,“彩虹”墨水);
г-计算机上处理实验数据结果机器关系;
ж,з-利用压电陶瓷加速器和X1-46型幅频特性测量仪获取的高频发射体幅频特性(ж为250千赫兹以内波段“压缩”幅频特性,з为共振邻域“拉长”幅频特
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