鄭勝寒，盧曉江，石 宇

(天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

1 計算模型、計算方法及邊界條件

1.1 計算模型

圖 1為設(shè)計的 3種不同內(nèi)軸類型的環(huán)隙型水力空化器結(jié)構(gòu)示意圖．空化器除了內(nèi)軸不同外，其余結(jié)構(gòu)與尺寸均相同．外腔直徑為 60,mm，空化器長度為400,mm，外腔與內(nèi)軸中心線重合，3種不同的空化器內(nèi)軸直徑均為 20,mm，內(nèi)軸最大直徑處直徑均為52,mm．采用三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方案，運用專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件Ansys Icem對計算區(qū)域進行空間六面體網(wǎng)格劃分，以球形內(nèi)軸空化器為例，其網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖 2．

圖1 不同內(nèi)軸類型的環(huán)隙型水力空化器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure schema of the annulus cavitation device with different types of inner shafts

圖2 球形內(nèi)軸環(huán)隙型空化器網(wǎng)格劃分圖Fig. 2 Mesh map of the spherical inner shaft device

1.2 計算方法及邊界條件

1.2.1 計算方法

利用計算軟件Ansys Fluent進行運算，選用基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器類型；多相流模型采用 Mixture模型，不考慮氣液兩相間的相對運動；采用 Realizable-κ ε湍流模型封閉三維Navier-Stokes方程，壁面處理采用標準壁面函數(shù)；選用穩(wěn)定性較好的Schnerr-Sauer空化模型；采用 Simple壓力速度耦合方式對流場進行計算，其他項選用具有絕對穩(wěn)定特性的一階迎風格式．

湍流模型選用Realizable -κ ε模型，其中κ和ε的方程分別定義為

1.2.2 邊界條件

水在常溫下(300,K)發(fā)生空化的壓力為3,540,Pa，采用壓力入口、壓力出口以及無滑移標準壁面函數(shù)邊界條件．設(shè)進出口蒸氣體積分數(shù)為 0，液態(tài)水體積分數(shù)為 1．入口壓力為 0.8,MPa，出口壓力為 0.2,MPa．

2 計算結(jié)果與分析

2.1 壓力云圖

圖 3為 3種環(huán)隙型水力空化器發(fā)生空化現(xiàn)象時中間截面的壓力分布云圖．可以看出：水流經(jīng)過由內(nèi)軸最大直徑與外腔組成的環(huán)隙時，由于節(jié)流的原因，會在環(huán)隙后方產(chǎn)生一定范圍的低壓區(qū)，節(jié)流的作用致使水流速度與壓降急劇增大，從而產(chǎn)生了低壓區(qū)．低壓區(qū)的形成為流體發(fā)生空化提供了先決條件．隨著流體的流動，空化器的后半段壓力逐漸升高，并且流體中氣含率也在不斷增加，這將會導(dǎo)致空泡的穩(wěn)定性降低，從而使空泡流在某個位置處產(chǎn)生潰滅，形成潰滅區(qū)．由于水流不斷流過環(huán)隙，會在空化初生期不斷產(chǎn)生空泡，并隨水流進入生長區(qū)和潰滅區(qū)，從而形成了如圖 3所示的壓力云圖．對比 3種空化器壓力云圖得出梨形內(nèi)軸空化器低壓段范圍最小，球形內(nèi)軸空化器低壓段范圍最大，錐形內(nèi)軸空化器低壓段范圍介于梨形內(nèi)軸空化器與球形內(nèi)軸空化器之間．

比如電視節(jié)目《經(jīng)典詠流傳》，把古典、經(jīng)典華章與現(xiàn)代音樂結(jié)合在一起，讓學生通過唱歌的方式記住古詩詞。小學語文課本中的《登鸛雀樓》一詩，用了同一首曲子，由不同語言反復(fù)吟唱，讓一首簡單的、只有20字的古代詩歌的魅力，穿越千年的歷史長河，突破中西文化的壁壘，展現(xiàn)在了世人面前。

圖3 壓力云圖Fig. 3 Contours of pressure

2.2 速度云圖

圖 4為 3種環(huán)隙型水力空化器發(fā)生空化現(xiàn)象時中間截面的速度云圖．從圖 4可以看出：流體在經(jīng)過環(huán)隙時會在環(huán)隙后方產(chǎn)生一定范圍的高速區(qū)，流體在經(jīng)過環(huán)隙后，流體速度并沒有隨著流道面積的增加而下降的原因是由于流體發(fā)生空化產(chǎn)生的氣泡隨著流體一起流動，空泡的體積占據(jù)了一部分流道，流體只能在空泡間隙流動，從而使流體流速并沒有顯著降低．在高速區(qū)末端流體速度急劇下降，這是由于流體經(jīng)過潰滅區(qū)，空泡重新潰滅成液態(tài)水，從而使流速下降的原因．器出口處的速度略大于在進口處的速度，這主要由兩方面原因造成的：(1)在錐形內(nèi)軸與梨形內(nèi)軸空化器低壓區(qū)后方出現(xiàn)了一段中低壓力的“過渡區(qū)”，這說明由于空化泡大小或形態(tài)等原因?qū)е驴栈菰跐鐓^(qū)并沒有發(fā)生完全潰滅，從而流體中還存在少量的空化泡；(2)流體在高速區(qū)后方形成了一定范圍的旋渦區(qū)，旋渦區(qū)會占用一部分流道，從而使能供流體通過的流道變窄．

圖4 速度云圖Fig. 4 Contours of velocity

對比流體在錐形內(nèi)軸空化器與梨形內(nèi)軸空化器的流動狀態(tài)，梨形內(nèi)軸空化器中流體在開始進入收縮段時會形成一定范圍的“死區(qū)”，從而造成一部分能量損耗，并且對流體流動方向與流動狀態(tài)造成影響；而錐型內(nèi)軸空化器“死區(qū)”范圍很?。虼耍F形內(nèi)軸空化器高速區(qū)范圍大于梨形內(nèi)軸空化器的．

對比流體在錐形內(nèi)軸空化器與球形內(nèi)軸空化器的流動狀態(tài)，錐形內(nèi)軸空化器“死區(qū)”范圍很小，而球形內(nèi)軸空化器中流體同樣形成了一定范圍的“死區(qū)”，造成了一部分能量的損耗，并且對流體流動方向與流動狀態(tài)造成了影響．但是，錐形內(nèi)軸空化器的環(huán)隙結(jié)構(gòu)具有“角度突變”的特征，而球形內(nèi)軸空化器的環(huán)隙結(jié)構(gòu)具有“角度漸變”的特征，環(huán)隙結(jié)構(gòu)處角度的突變會強制地使流體流動方向發(fā)生改變，尤其對在環(huán)隙處高速流動的流體造成更為顯著的影響.因此，球形內(nèi)軸空化器高速區(qū)范圍大于錐形內(nèi)軸空化器的．

綜上：不同內(nèi)軸類型的空化器相比，空化器內(nèi)流體速度峰值差別不大；但是，對于高速區(qū)范圍，球形內(nèi)軸空化器＞錐形內(nèi)軸空化器＞梨形內(nèi)軸空化器．

2.3 壁面氣含率分布圖

對于水力空化而言，空化過程往往發(fā)生在流體與固體壁面的交界面及其附近區(qū)域[10]．為了進一步分析內(nèi)軸類型對空化器內(nèi)部蒸氣體積分數(shù)的影響，選取3種空化器的外腔壁面與內(nèi)軸壁面進行分析，對比不同的內(nèi)軸類型對外腔壁面處與內(nèi)軸壁面處氣含率的影響．圖 5為 3種內(nèi)軸類型空化器的外腔壁面與內(nèi)軸壁面氣含率分布圖，圖中橫坐標為 x軸坐標，其方向為沿空化器的軸線方向，空化器環(huán)隙位置均在100,mm處．

由圖 5可以看出：3種空化器均是在軸向位置100,mm處內(nèi)軸壁面上開始發(fā)生空化，說明流體在經(jīng)過環(huán)隙后產(chǎn)生空化，并且氣含率迅速達到峰值，氣含率峰值接近 100%,，表明在環(huán)隙后部附近區(qū)域內(nèi)內(nèi)軸表面部分區(qū)域已經(jīng)接近完全汽化．其中，錐形內(nèi)軸空化器空化發(fā)生的區(qū)域在 100～300,mm，梨形內(nèi)軸空化器發(fā)生空化的區(qū)域在 100～260,mm，球形內(nèi)軸空化器發(fā)生的區(qū)域在100～330,mm．3種內(nèi)軸類型對內(nèi)軸壁面處氣含率峰值影響不明顯，對高氣含率區(qū)域值影響明顯．

圖5 3種空化器壁面氣含率分布圖Fig. 5 Vapor fraction at the wall of three types of annulus cavitation device

外腔壁面的空化是從 x軸坐標為 100,mm處后方一段區(qū)域開始的，這主要是由于內(nèi)軸壁面處產(chǎn)生的空化泡一方面受到流體的“裹挾”作用向下游移動；另一方面又由于空化泡的數(shù)量越來越多，空化泡之間產(chǎn)生相互擠壓作用，從而使得空化泡向外腔壁面處擴散．外腔壁面處流體氣含率沿x軸坐標的增長由兩個階段組成，第一個階段氣含率增長較快，第二個階段氣含率增長較慢，兩個階段轉(zhuǎn)折點處的x軸坐標與內(nèi)軸壁面處氣含率最高值對應(yīng)的x軸坐標相同，說明隨著內(nèi)軸壁面處氣含率的下降，外腔壁面處氣含率的增長速度也在下降．外腔壁面處氣含率峰值出現(xiàn)在空化泡潰滅的部位，其中，錐形內(nèi)軸空化器外腔壁面處氣含率峰值為 52%,，梨形內(nèi)軸空化器外腔壁面處氣含率峰值為 48%,，球形內(nèi)軸空化器外腔壁面處氣含率峰值為60%,．

3 結(jié) 論

(1)3種內(nèi)軸類型對空化器內(nèi)流體速度峰值影響不大，但高速區(qū)范圍球形內(nèi)軸空化器大于錐形內(nèi)軸空化器大于梨形內(nèi)軸空化器，高速區(qū)范圍的提高有利于多種水力空化的實際應(yīng)用．

(2)3種內(nèi)軸類型空化器的內(nèi)軸壁面處空化效果最好，外腔壁面處空化效果最差，并且不同內(nèi)軸類型對內(nèi)軸壁面處空化氣含率峰值影響不顯著，對外腔壁面處空化氣含率峰值影響顯著．其中，球形內(nèi)軸空化器外腔壁面處氣含率峰值最高，梨形內(nèi)軸空化器外腔壁面處氣含率峰值最低，錐形內(nèi)軸空化器氣含率峰值介于兩者之間．

(3)環(huán)隙結(jié)構(gòu)的“角度突變”特征會使流體的空化效果減弱，在設(shè)計環(huán)隙型空化器時應(yīng)盡量避免環(huán)隙結(jié)構(gòu)處的“角度突變”，本研究中球形內(nèi)軸空化器的空化效果最好，其次是錐形內(nèi)軸空化器，梨形內(nèi)軸空化器最差．

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