缝隙式喷嘴和微爆破过程中的
气粒两相喷射流
微爆破过程已经被广泛应用于处理脆性材料，同时传统的圆形喷嘴已经被普遍应用。但是圆形喷嘴在大面积处理时的切削性能不好，所以缝式喷嘴的应用被人们所考虑。在这份研究中，为了改进微鼓风喷嘴的切削性能，一种带有大的高宽比的新型缝式喷嘴被提出，其流动特性和切削性能通过实验研究和数值分析被xx审查。主要结论有（1）在缝式喷嘴垂直处针对气流的圆形叶片设置可以均匀分散在喷嘴出口处的颗粒流，使得粒子速度均匀分布。（2）以任意角度扩大喷嘴出口，在喷嘴出口处能够获得均匀的空气和微粒速度分布。（3）尽管喷嘴有障碍设置，且设置上还有不足之处，与传统（常规）的微爆破圆形喷嘴比较，仍能获得较好的切削效率。
关键词：多相流动，射流，喷嘴，流控，微鼓风
1. 介绍
由制造加工技术支撑的快速增长的行业，如半导体，电子和电力行业，其钻探、开槽的精细加工必须要有一直为我们所期望的高精度和高效率。
在BMP中,圆形喷嘴被普遍运用，然而它要花去大量扫描时间去完成大面积的处理，然后还要花去较长的加工时间。另一方面，圆形喷嘴的许多设置要去获取高生产率，因其自身的复杂性会导致较高的设备费用和较低的维修能力。
2. 实验装置及程序
2.1 喷嘴
图1显示{zx1}提出的喷嘴和坐标系统。图1（a）显示在参考扩散方面基本喷嘴设计。
它在喷管出口截面处有一个二维矩形形状。在圆管(φ = 32mm)中，有着连续不间断的巨大负载率的微粒载流子，流入喷嘴入口（方形截面: 32×32mm），然后，在y方向上它扩散到100mm 宽(扩散角度: α = 38◦)。喷嘴出口的宽度是常数100mm。喷嘴深度（Z方向）从喷嘴入口到喷嘴出口上游10mm处，线性收敛至1mm（喷嘴高度，h），从该处到喷嘴出口的10mm长度与1mm深度处平行（以下简称，它被称为{dy}喷嘴。
(c)
圆形叶片的{dy}喷嘴
(e)
第三喷嘴
图1
带有叶片的另一喷嘴，如图1（b）和（c），板或圆形叶片也被用来创造均匀的空气流动，为了去均匀分散在喷嘴出口的微粒.图 1（d）和（e）显示在喷嘴入口处能更加均匀其流动的这种新型喷嘴。
图1（d），第二喷嘴，
2. 2实验装置
从空气压塑机压缩出来的空气，由逆变器和空气流速
阀门调整后被引入喷嘴。然后，从喷嘴出口排入大气层。这个射流温度Ta 通过位于喷嘴上游内部管壁表面的热电偶集被测量。射流速度u 通过内径为0.8mm的毕托管被测量，因为喷嘴出口速度（大多数情况下几乎是 200m/sec）有一点大，要考虑空气压缩的影响。 ）
喷射速度u用内径为0.8mm的空速管进行测量，由于喷嘴出口的速度有点大（大多数情况下几乎达200m/s），所以要考虑空气压缩的影响。毛丛被用来测量喷口方向以供参考，因为速度有一个y方向的分量。
接下来就是进行MBP实验了。首先，喷嘴到盘之间的距离H/h=15的主流处，玻璃盘作为一个工件被正常放置在那里。第二，螺杆式颗粒进给器不断地以±5%的进给xx度把颗粒进给到喷嘴的上部分气流，然后满载的颗粒以均匀的浓度喷射并在通过喷{zh1}撞击到一个工件上，颗粒被发射给工件后，用粉尘收集器收集起来。喷嘴被固定，工件以3mm/s的速度转移到z方向，切削深度通过测量表面粗糙度的切削断面测量（东京通精密，Surfcom - 1400D）。在这个实验中，切削深度的xx程度被定义为：{zg}和{zd1}的切削深度之间的差异率， 和 ，在切割宽度 的80%的长度区。
除去用电子精密天平(A&D, GR-200)测量的工件的重量。
颗粒的性能和速度用PIV (TSI, 2D-PIV 系统)测量，用于分析CCD相机采集到的数据。Nd—Pb YAG 激光器被用作流动可视化的光源。激光，以3微秒的间隔传播，像由圆柱透镜片暴露了流场，CCD相机照下200 260mm的流动区域。在被划分成1.0 1.0mm的小区域内分析速度矢量。50次测量的速度矢量的平均值被用作实验值。用PIV测量的颗粒速度的误差在15%以内。为了目测这些颗粒的浓度，颗粒的反射光也要被CCD相机所拍摄。
2.3.实验条件
（3）在y/h=40处，颗粒有{zd0}速度，这是由于，与空气相比，它有很大的惯性力。在喷嘴的出口，颗粒仅以空气速度的20%加速。
(4)与常规的喷嘴相比，第三个喷嘴占{zd0}去除重量。
3、数值分析
在这项研究中，可以通过二维的数值xxxx来估计出各种参数对喷嘴和喷射流的流动特性的影响（流体技术，CFD-2000），其中包括质量和能量守恒，标准湍流的k -ε模型的使用。（k：湍流动能，ε：湍流耗散率）。
图3显示了计算域和坐标系统。在y = 0 时，x - z平面计算域的面积为x/h= 500×z/h= 200，并将其划分为150 × 100的非均匀区域。压力使(p0 − p∞) = 0.025MPa = const（常数），并指出在一个喷嘴出口大气压力作为边界条件。
根据颗粒的速度分布获得如下条件，一个没有流下来的单位球形粒子和粒子喷嘴壁碰撞，粒子和流体之间的相互作用是不用考虑的。
4、结果与讨论
⒋1第一喷嘴的切割性能
图4显示通过MBP得到的{dy}喷嘴切割截面。切削深度d在喷嘴中心取得{zd0}值，且横截面是一个几乎与中心对称的凹状形。
图5显示了空气中自由射流的速度分布。空气分布u/u0呈马鞍状分布，且出现在分配外缘的几率大。如图5中虚线所示，在各断面宽度X的速度向下游变小，这是由于它与周围下滑流体相切。
图6：颗粒浓度和气固自由射流速度矢量（{dy}喷嘴）
图6显示了{dy}喷嘴的一个颗粒浓度和颗粒速度矢量在左，右分别一半，这是因为剖面是中心对称的关系。
在中心，粒子的浓度达到{zd0}值；在喷嘴边缘，粒子的浓度减小，在y/h<-35的面积内几乎没有粒子存在。粒子不能在y方向上任意传播，这是由于它受到一个大型的粒子惯性力。粒子的速度分布显示了一凸状形，在其中心，粒子速度{zd1}，在喷嘴边缘，粒子速度{zg}。由于粒子和粒子壁的相互作用，使得围绕在喷嘴中心的粒子，速度降低。
结果认为，切割精度取决于粒子的浓度和速度。因此，为了提高切割精度，在y方向上，保证粒子浓度和速度的均匀分布是必要的。
⒋2均匀的颗粒浓度
为了在± y方向上使粒子漫射，使用了图1 (b) 和 (c)所示的板和圆形叶片。通过设置一些叶片，喷流单喷气的特性（平均和可变速度分布）无任何差异。
图7（a）及（b）显示对于{dy}喷嘴，分别在板和圆形叶片的情况下，粒子的速度矢量和浓度。叶片为板，在叶片下游微粒浓度降低，但它在y方向上的传播略高于没有叶片的基本喷嘴。对应的流速分布与粒子浓度，是在相互作用的粒子浓度不均匀性差异的薄的区域和小的密集区颗粒速度变大。
对于圆形叶片，粒子浓度显示除喷嘴边缘区之外的统一形象。粒子的速度分布也显示了均匀粒子相互作用的统一形象。
图8：每个切割断面叶片（{dy}喷嘴）
图8显示通过MBP的钢板和圆叶分别得到的削减截面（z = 0）。每个切割断面与对应的薄膜形的颗粒浓度呈非均匀性，细粒子浓度区域显示浅，而密集区域则显示深。对圆形叶片，切割精度显示ζ = ±7.5% at −40 <y/h < 40,虽然是平板叶片，但是它表明ζ= ± 60％在同一地区。很显然，圆形叶片在y方向上漫射和切割精度方面有一定优势。
接下来，研究每个由MBP喷嘴的切割效率。图9显示一个没有钢板和圆形叶片的喷嘴切割玻璃的质量。提供的功率W是为产品在喷嘴处的流量和液体流失。
图9：每个叶片的切割效率（{dy}喷嘴）
叶片的圆形喷嘴显示了{zd0}的切割质量，其他喷嘴几乎有相同的切割质量。例如，与其他W = 5 kW的喷嘴相比，圆形叶片喷嘴显示出30％的优势。它将导致粒子之间相互作用减少，经粒子扩散和均匀性切割后顺利从粒子表面排放。
因此，颗粒均匀扩散不仅改善了切割精度，而且也提高了切割效率。
⒋3空气流速均匀性分布的性能和切割
在本节中，将对空气流速均匀性分布和在图1（d）和（e）中显示的第2第3新式喷嘴的MBP特性的关系进行审查。
4.3.1速度分布（xOy平面，z =
0）
图10显示空气流速对每个喷嘴自由射流分布影响的实验结果。每个喷嘴的流速分布表明，喷嘴出口的喷嘴宽度是一致的，但它在射流内外不会保持在下游不变。
{dy}喷嘴呈现鞍形速度分布，这被称为矩形射流的一般特点。因此，速度均匀分布区域很小。
对于第二喷嘴，速度分布不呈现鞍形，它具有广泛的统一配置，因为它是其角度不断的从喷嘴入口扩展到出口。与{dy}喷嘴相比，射流边缘附近的速度逐渐减小，这是因为它在y方向上有分量。
对于第三喷嘴，在射流边缘再次出现{zg}速度。这取决于从扩展的喷嘴壁流分离，但最广泛的统一得到。第二和第三喷嘴在0 < x/h < 15 and 30< x/h内可以使速度分布均匀。
接下来，在xoz平面（为y = 0），对空气自由射流的速度分布进行检查正是为了在细节方面揭示每个喷嘴的流动特性。
4.3.2速度分布(xoz, y=0)
图11显示了实验结果和空气自由射流的分布速度的计算。这表明这是一个半区，因为是以中心为对称分布的。从喷嘴的外部喷射表明：长方形的气体分布在喷嘴外部，它以沿中心线递减的速度扩展到z方向的下游。每个喷嘴的所有气体分布表明在x轴的每个交叉部分几乎是一样的。计算值匹配得很好。
图12：速度分布，u/u0 (xoz 平面, y=0)（第三喷嘴）
图12表明：无量纲的速度分布在z方向的一半处，在z方向的中心线速度u以两个单位的理论值快汹涌的喷射气流。除了潜在的核心和外部的边缘区域外，实验的和理论的曲线很吻合。结果表明：喷射发出的喷嘴与两单位的汹涌的自由喷射具有同样的气流特征。
4.3.3射流宽度
图13（a）显示了射流宽度δy，在y方向的宽度δy的一半是0.5。在u = 0.1uc，射流宽度δy被定义为射流边缘。对于{dy}喷嘴，在y方向上射流并没有扩大，这是因为直喷嘴出口，但是对第二和第三喷嘴的δy是较大的，这是由于延长了喷嘴出口关系。
第三喷嘴射流宽度比第二喷嘴出口宽。然而，第3喷嘴喷射蔓延比第二喷嘴小，这是由于第三喷嘴的动能损失较大。{dy}喷嘴宽度的一半是δy 0.5/w < 1，向下它变小，即与其他喷嘴相比，其面积以均匀速度变窄。
图13（b）显示在z方向上射流宽度δz和宽度的一半。在下游宽度增加呈线性，其关系可表示为：
δz/h=0.3(x/h)+1.0(x/h≤30)
=0.4(x/h)−2.0(x/h≥30)
4. 3. 4粒子特性
图14：粒子浓度和气-固自由射流速度向量
图14 显示颗粒浓度和第二，第三喷嘴的粒子速度向量。由于喷嘴设置了圆形叶片，能够看到在这两个喷嘴宽度外的均匀颗粒浓度。据认为，靠近喷嘴边缘的高浓度区域通过延长喷嘴出口而在y方向扩散 ，如图7（b）。对于第二和第三喷嘴，颗粒速度矢量幅度显示出这样一个均匀分配结果，即均匀颗粒浓度与{dy}喷嘴情形相同，方向指示外部方向，然而{dy}喷嘴具有其内在的方向。
4. 3. 5满载自由射流的粒子流特性
图15：第三喷嘴的粒子速度分布
图15显示在x-y平面（z=0）粒子和第三喷嘴空气的速度分布。空气的速度分布取决于与满载自由射流粒子一样拥有巨大的射流速度的单相空气射流。颗粒浓度向空气传播，它在y方向速度分布广泛而均匀。
图16（a）显示通过实验研究和数值分析来获取空气和粒子的中心线速度分配uc和up，c。在喷嘴内uc向喷嘴出口处类似熵快速扩大，从喷嘴发出后，uc就下降。uc的实验值与理论计算值一致。另一方面，由于，颗粒具有比空气大的比重，up，c只是喷嘴出口空气的 20%。被高速空气加速的颗粒（粒子）从喷嘴出口被发出后，拥有比一般颗粒更高的速度，它的{zd0}速度达到 x/h = 40，随着空气流速降低而逐渐减小。通过实验和数值分析获得的粒子速度相当地（很大程度上）不同。导致这个现象的原因是粒子-喷嘴壁和实际流粒子之间的相互作用。
图16（b）显示对数图在图16（a）中环绕喷嘴出口处。在潜在的核心区域之后，uc 朝向下游减小。过渡区是在(5
< x/h < 9)处，发达区域是在(9<
x/h)处。在发达区域uc可以表示为：
它对应二维自由射流。
两个剖面是相似的，过度粒子速度up，c
4. 3. 6 切削性能
（其中图中（a）第二喷嘴，（b）第三喷嘴，纵坐标标识为切割精度。）
图17显示BMP使用第二，第三喷嘴的切割断面。随着喷嘴出口变得更宽，显示在图8（b）中的喷嘴边缘处的大型切削区域会减小，然后可以获得高平坦度和切割精度。切割精度显示了第三喷嘴拥有ζ = ±8.9% at −70 <y/h < 70 的优质。均匀颗粒扩散和均匀空气速度产生在一个宽范围内的高切割精度。
4. 3. 7切割效率
图18显示供能与关于常规喷嘴（图2）移除载重以及近来被提出的第三喷嘴的关系。
与常规喷嘴相比，第三喷嘴占据了{zd0}的移除载重，例如，在供能 W =10 kW压力式喷嘴（图2（b））基础上，第三喷嘴的切割效率提高了15% 。
图18：MBP的效率
（图中圆形代表压力式喷嘴，矩形代表第三喷嘴，三角形代表吸力式喷嘴，纵坐标标识为移除载重。）
对工件进行满载粒子喷射后，颗粒和切割材料的移除是提高BMP切割效率的一个关键因素，对工件进行粒子喷射后，如果有颗粒和切割材料环绕工件存留，余下的粒子进行新的粒子喷射，于是粒子的能量就只用在了这种粒子和工件上下粒子之间。常规喷嘴的颗粒移除和切割材料不足，因为颗粒在一个域内收敛，但是第三喷嘴有一个窄的撞击宽度，颗粒和切割材料移除起来很容易。结果，第三喷嘴与常规喷嘴相较，其切割效率得到相当大的提高。
5. 结论
在该研究中，为了高精度和高效率运用微鼓风过程去处理工件，一种新的具有高宽比的矩形二维喷嘴被提出，高速空气喷射满载粒子的流量特性，通过实验研究和数值分析，粒子特性和切割特性被检查。
主要结论如下：
( 1 )喷嘴的圆形叶片显示为颗粒浓度和速度的均匀分布。结果是BMP能够获得高切割精度，也能通过减小粒子相互作用和从撞击点改善粒子放电来提高切割效率。
( 2 ) 第二和第三喷嘴显示为一种大范围的速度均匀分布，然而，{dy}喷嘴显示为一种鞍形分布。第三喷嘴的切割精度显示为拥有ζ = ±8.9% at −70 <y/h < 70的优质。大范围的高切割精度源于BMP的均匀粒子分布和均匀空气。
( 3 )粒子速度显示{zd0}值是
y/h=40，因为在空气中它有一个比较大的惯性力。在喷嘴出口，粒子加速
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