基于轮式清洗爬壁机器人的空化射流仿真及实验研究

发布时间：2020-08-26 19:35

【摘要】：随着中国海洋事业的蓬勃发展,船舶清洗也逐渐受到人们的重视。当前我国的船舶清洗,尤其是对海生附着物的清洗基本停留在效率低,环境差,劳动强度高的人工方式。其一直以来困扰着清洗业,亟待一种新型的清洗方式来替代。本文针对船舶海生附着物清洗的特点,提出将两种新技术——空化射流和轮式清洗爬壁机器人相结合来用于船舶清洗的研究。同时对两种技术的特点进行了综述,阐述了将两项技术结合以应用于船舶海洋附着物清除的可行性和重要意义。本文以面向船舶清洗为目的,基于轮式清洗爬壁机器人应用,对空化射流技术的应用展开了以下研究:对轮式清洗爬壁机器人进行了整体结构的设计,以实现在船舶壁面上的稳定移动和清洗工作,同时具有轻量化特点。并通过ADAMS软件对轮式机器人在附壁状态下进行了动力学仿真,结果表明其能在平面、曲面直行和拐弯状态下稳定移动,并输出了力矩和速度曲线,给出了机器人的越障性能,同时辅助和优化了设计过程。最终完成了样机的制作。分析总结前人对空化射流的研究成果,以计算流体力学、数值仿真技术、空化理论为基础,以实际工业应用和清洗效果为目的,设计制作了两种空化喷嘴:风琴管结构空化喷嘴和自激振荡脉冲空化喷嘴。通过FLUENT软件对空化射流关键件——空化喷嘴的内外流场进行了数值模拟和分析,以仿真的角度对两种喷嘴进行了对比,结果显示自激振荡脉冲空化喷嘴的气含率比风琴管结构空化喷嘴更高,空化效果更好,并与试验结果互相验证。自行设计和搭建了空化射流的实验平台,通过透明水箱对空化射流进行了观察。通过铝块冲蚀正交试验的间接方法和海生附着物样本清洗试验的直接方法分别对空化射流进行了清洗效果研究,结果表明自激振荡脉冲空化喷嘴效果更好。同时研究了压力,靶距,喷嘴结构参数等对空化射流的影响,得到了压力与空化射流冲蚀力正相关,空化射流存在最佳靶距,大约在20mm处等结果。并根据喷嘴结构参数对空化射流的影响规律,得到了试验过程中最适合清洗应用的空化喷嘴。
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U672
【图文】：

图 1.1 船舶清洗Fig. 1.1 Ship cleaning1.1.2 海生附着物危害海洋中的附着在船舶表面的水生生物，动植物有上百种，常见的就有 50 种[5]。它们的种类和生长状况，随着水文条件、附着基等的改变而不同。季节的不同也会影响海生附着物的种类。如图 1.2 所示为被海生附着物附着的待清洗油轮。海洋附着物种类较多，Nobuhiro Fusetani[6]对海洋附着物进行了详细的分析。并将其分类[7]：第一类是微生物，这类会提高整体摩擦力 1%～2%左右；二是软性附着生物(大型海藻)，这类会提高整体摩擦力 10%；第三类是硬性附着生物(壳类、贝类、管虫、苔藓虫类)，这类会提高基体摩擦力高达 40%，其危害比较大。

图 1.1 船舶清洗Fig. 1.1 Ship cleaning.1.2 海生附着物危害海洋中的附着在船舶表面的水生生物，动植物有上百种，常见的就有 50 种们的种类和生长状况，随着水文条件、附着基等的改变而不同。季节的不同影响海生附着物的种类。如图 1.2 所示为被海生附着物附着的待清洗油轮。海洋附着物种类较多，Nobuhiro Fusetani[6]对海洋附着物进行了详细的分析将其分类[7]：第一类是微生物，这类会提高整体摩擦力 1%～2%左右；二是软着生物(大型海藻)，这类会提高整体摩擦力 10%；第三类是硬性附着生物(壳类、管虫、苔藓虫类)，这类会提高基体摩擦力高达 40%，其危害比较大。

人工铲除Fig.1.3Artificialeradication

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本文编号：2805600