楊興林，石園園，閆利坤，程 林，李自強(qiáng)

(江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引 言

水力空化現(xiàn)象是指液體內(nèi)局部壓力降低時(shí)，液體內(nèi)部或液固交界面上蒸汽或氣體。空泡的形成、發(fā)展和潰滅的過(guò)程[1–2]。利用空泡潰滅時(shí)釋放的大量能量，水力空化可以應(yīng)用在廢水處理、強(qiáng)化工業(yè)過(guò)程及空化水射流等領(lǐng)域。同時(shí)在螺旋槳空化噪聲，超空泡減阻技術(shù)的研究目前也很多[3–4]?？栈l(fā)生器原理是當(dāng)水流流過(guò)收縮裝置時(shí)，過(guò)流斷面急劇變化，水流被增速降壓，當(dāng)壓強(qiáng)降到水的氣化壓強(qiáng)下時(shí)發(fā)生空化[5]。空化效果的強(qiáng)弱影響空化發(fā)生器的效率，確定出最優(yōu)化的復(fù)合空化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)強(qiáng)化空化的效果，設(shè)計(jì)出高效率的空化發(fā)生器裝置對(duì)生產(chǎn)應(yīng)用具有重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)水力空化裝置進(jìn)行了探討研究。例如：王智勇等[6]針對(duì)不同壓力、不同喉部直徑和擴(kuò)散段長(zhǎng)度對(duì)文丘里管內(nèi)部空化現(xiàn)象的影響進(jìn)行數(shù)值模擬；章昱等采用標(biāo)準(zhǔn)k－ω 模型對(duì)孔板的水力空化裝置進(jìn)行數(shù)值模擬，探討空化效應(yīng)強(qiáng)度的影響因素問(wèn)題；曾章美等[9]對(duì)孔板位置一定時(shí)，不同的文丘里管喉部的組合情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得出急型的復(fù)合結(jié)構(gòu)的空化器空化效果更強(qiáng)。但這些研究一般集中于組合空化發(fā)生器中的文丘里管結(jié)構(gòu)的研究，其空化效果還有待于提高。

本文結(jié)合文丘里管和孔板各自的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種把孔板嵌套在文丘里管喉部位置組成復(fù)合結(jié)構(gòu)的兩級(jí)空化發(fā)生器，在管內(nèi)流量和過(guò)流截面積一定時(shí)，通過(guò)用多個(gè)小管徑的孔道代替大直徑的單文丘里管管道，分別在孔板孔道和文丘里管漸擴(kuò)段發(fā)生2 次空化過(guò)程，兩級(jí)空化發(fā)生器中液流經(jīng)過(guò)了2 次加速，從而能夠產(chǎn)生更多的空化泡，空化泡不斷地產(chǎn)生和潰滅，大大提高了空化效應(yīng)，以此來(lái)提高空化發(fā)生器整體的空化效果。兩級(jí)空化發(fā)生器的空化面積和空化維持時(shí)間都要更長(zhǎng)，從整體上來(lái)看，更有利于長(zhǎng)時(shí)間的作業(yè)和強(qiáng)化。且此設(shè)計(jì)是一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)空化發(fā)生器，制造成本低，結(jié)構(gòu)緊湊，更易運(yùn)輸和節(jié)省材料。且本文在所設(shè)計(jì)的復(fù)合空化發(fā)生器形式的基礎(chǔ)上，分別針對(duì)3 組孔不同排布方式孔板與文丘里管喉部進(jìn)行復(fù)合的裝置，利用Fluent 軟件分別對(duì)3 種空化發(fā)生器的氣液兩相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)比分析不同形式流場(chǎng)的空化效果，以獲得相對(duì)較高效率的兩級(jí)空化發(fā)生器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，此數(shù)值模擬的結(jié)果可為研究多級(jí)空化發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考信息。

1 數(shù)值理論計(jì)算

本文裝置中的液流視為不可壓縮的穩(wěn)定流動(dòng)，利用Fluent 軟件采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε 湍流模型和混合模型（misture mordel），壓力梯度采用Standard 格式離散，動(dòng)量方程和湍流輸運(yùn)方程采用絕對(duì)穩(wěn)定的一階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合采用Simple 方式，在低壓區(qū)引入空化模型的混合多項(xiàng)流模式對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

1.1 湍流模型

本文計(jì)算中，空化發(fā)生器中的水流為不可壓縮的穩(wěn)定流動(dòng)，湍流模型選擇應(yīng)用較廣泛的k-ε 兩方程模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型基于Wilcoxk-ε，在加入Reynolds 數(shù)以及各種流體特性的條件下改善得到的，所以本文求解采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型的連續(xù)性方程為：

動(dòng)量方程為：

式中：ρ 為流體密度；μ 為時(shí)均速度；p 為流體壓力；η 為流體動(dòng)力粘度，為紊流應(yīng)力。

湍流動(dòng)能方程為：

式中：Gb為由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能；YM為可壓縮湍流中階梯的散布所生成的波動(dòng)；Gk為由層流的速率差生成的湍動(dòng)能。

湍流耗散方程為：

式 中：C1ε，C2ε，C3ε為 常 數(shù)；σk，σε為 兩 方 程 的Prandtll 數(shù)。

1.2 空化模型

考慮到本文研究的對(duì)象和體系，綜合分析選擇Schnerr and Sauer 空化模型。其空化模型表達(dá)式為：

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 數(shù)學(xué)模型

圖1 為設(shè)計(jì)的復(fù)合兩級(jí)空化發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，入口和出口直徑D1=20 mm，孔板直徑D2=5 mm，孔板小孔直徑d=1 mm，漸縮段長(zhǎng)度L1=24 mm，孔板長(zhǎng)度L2=10 mm，漸擴(kuò)段長(zhǎng)度L3=63 mm，入口錐角α1為40°，出口錐角α2為18°。圖2為設(shè)計(jì)的3 種不同的孔板孔的排布方式，分別為a 環(huán)狀排布、b 直線排布、c 中心孔輻射狀排布。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

圖 1 復(fù)合結(jié)構(gòu)空化發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of composite structure cavitation generator

圖 2 孔板孔的排布方式Fig. 2 Arrangement of orifice holes

圖 3 空化發(fā)生器的網(wǎng)格示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the cavitation generators

本文利用CFD 對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，對(duì)孔板孔道部分進(jìn)行加密處理，通過(guò)網(wǎng)格檢查，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足要求。本文選取25 ℃水和25 ℃的水蒸氣為對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)置進(jìn)口條件為速度等于0.5 m/s，出口條件為壓力0 Pa，無(wú)滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)邊界條件。水的密度為998 kg/m3，表面張力為0.717 N/m，設(shè)定不可壓縮相為水。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)使用Fluent 軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，使用Tecplot 軟件進(jìn)行后處理。

3.1 速度分布

圖4 為3 種不同復(fù)合結(jié)構(gòu)空化發(fā)生器的速度分布云圖。由圖可知，3 種空化發(fā)生器的速率都是先增大，在孔板孔口處速率達(dá)到最大。由于流體慣性，通過(guò)孔板孔道后流體依然具有較高的流速，從而形成射流，整個(gè)過(guò)程表現(xiàn)為速度分布由中心軸線向管壁轉(zhuǎn)移的過(guò)程。而在文丘里管漸擴(kuò)段的錐角影響下，水流的流動(dòng)區(qū)域變大，使水的流動(dòng)速率逐漸變小，在管道表面周圍水流受到摩擦力作用流體流速開始逐漸降低。不同的孔板排布對(duì)空化發(fā)生器的速度場(chǎng)分布有顯著的影響。3 種裝置的核心區(qū)的平均速度是c＞a＞b，這是由于中心孔輻射狀排布的空化發(fā)生器c 有中心孔，總體的速度更容易疊加，使流體受到的阻力較小，從而可以將更多地能量轉(zhuǎn)化為空化效應(yīng)的勢(shì)能，所以核心區(qū)的速度相對(duì)最高，徑向范圍的速度場(chǎng)也最大；而復(fù)合結(jié)構(gòu)空化發(fā)生器b 和發(fā)生器c 相比沒有中心孔，所以整體的速度場(chǎng)分布范圍和整體核心區(qū)的平均速度相對(duì)于c 范圍略微減??；直線分布的空化發(fā)生器b 由于沿直線均勻分布，孔間隔較大，水流在流出孔道后的射流不集中，相對(duì)于其他兩種裝置核心區(qū)的水流速度相對(duì)較小。軸向方向速度矢量存在負(fù)值，說(shuō)明有回流區(qū)，這是因?yàn)楦咚偎髟谖那鹄锕鼙诿孀钃跛隆?/p>

圖 4 空化發(fā)生器的速度云圖Fig. 4 Cavitation generator speed cloud

3.2 湍動(dòng)能分布

圖5 為3 種復(fù)合結(jié)構(gòu)空化發(fā)生器的湍動(dòng)能云圖分布。從圖中可以觀察到，水流在進(jìn)入孔板孔道前的流場(chǎng)湍動(dòng)能很小，在流進(jìn)孔道后迅速增大后又減小，在文丘里管漸擴(kuò)段部分，湍動(dòng)能再次增大?？栈a(chǎn)生期間空泡的生成和破滅導(dǎo)致了流場(chǎng)的振蕩，湍動(dòng)能也同時(shí)進(jìn)一步改變，在此過(guò)程中湍動(dòng)能有2 次幅值的變化，即發(fā)生了2 次空化過(guò)程。由圖可知，不同的孔板排布方式對(duì)空化發(fā)生器的整體湍動(dòng)能散布有顯著的影響，其中空化發(fā)生器c 的湍動(dòng)能相對(duì)于其他2 種空化發(fā)生的散布區(qū)域更廣和湍動(dòng)能更強(qiáng)。這和前面的速度場(chǎng)分布有類似的規(guī)律。

3.3 汽含率分布云圖和散點(diǎn)圖

圖 5 空化發(fā)生器的湍動(dòng)能云圖Fig. 5 The kinetic energy cloud diagram of the cavitation generator

圖 6 空化發(fā)生器的汽含率云圖Fig. 6 Cavitation rate of the cavitation generator

圖6 和圖7 分別為3 種空化發(fā)生器的汽含率云圖和分布散點(diǎn)圖?？梢郧逦乜闯銎实姆植记闆r，其中圖7 的橫坐標(biāo)是沿管軸的距離，孔板位于28～38 mm 范圍內(nèi)。可知，3 種兩級(jí)復(fù)合空化發(fā)生器的汽含率分布形狀基本相似，3 種復(fù)合結(jié)構(gòu)空化器在Y 軸坐標(biāo)上汽含率都呈現(xiàn)出2 次最高值，說(shuō)明產(chǎn)生了2 次空化。汽含率較高點(diǎn)主要產(chǎn)生在孔道區(qū)域（28～35 mm）和文丘里管錐角擴(kuò)散段范圍內(nèi)（38～64 mm），表明空化大部分是產(chǎn)生在這些區(qū)域中，這與前面分析過(guò)的速度場(chǎng)和湍動(dòng)能分布規(guī)律相似，汽含率的最高點(diǎn)都產(chǎn)生在文丘里管錐形段的流場(chǎng)中，主要集中在50%～97%左右。從圖6 和圖7 可以看出，空化發(fā)生器c 的最高汽含率大概是99%，說(shuō)明核心區(qū)的部分區(qū)域幾乎完全空化，核心區(qū)的平均汽含率明顯高于其他2 種空化發(fā)生器。而且對(duì)比3 種空化發(fā)生器的空化區(qū)域，很明顯的空化發(fā)生器c 的空化區(qū)域范圍最長(zhǎng)，在28～35 mm 和38～64 mm 之間。說(shuō)明不同的孔板分布結(jié)構(gòu)對(duì)于復(fù)合式空化發(fā)生器的空化場(chǎng)有較顯著的影響，3 種兩級(jí)空化的復(fù)合空化發(fā)生器中帶中心孔的輻射狀排布的孔板復(fù)合結(jié)構(gòu)空化發(fā)發(fā)生器的空化效果最好，這也和前面的速度場(chǎng)和湍動(dòng)能的分析結(jié)果一致。

圖 7 空化發(fā)生器汽含率分布散點(diǎn)圖Fig. 7 Scatter plot of vapor content distribution of cavitation generator

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在復(fù)合結(jié)構(gòu)空化發(fā)生器裝置基礎(chǔ)上，在相同的邊界條件下，基于CFD 數(shù)值模擬軟件結(jié)合S-S 空化模型分析所設(shè)計(jì)的3 種不同孔板分布的復(fù)合結(jié)構(gòu)空化發(fā)生器的性能，得到了3 種空化發(fā)生器的速度云圖、湍動(dòng)能云圖、汽含率云圖和分布散點(diǎn)圖進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

1）本文中所設(shè)計(jì)的孔板孔道嵌套在文丘里管喉部組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)兩級(jí)空化發(fā)生器可以發(fā)生2 次空化，最高汽含率可以達(dá)到99%。該裝置經(jīng)歷2 次速度、湍動(dòng)能的變化，可以產(chǎn)生更多的空化氣泡，一定程度上大大提高了空化發(fā)生器的整體空化效果。

2）不同的孔板孔道排布方式影響了空化發(fā)生器內(nèi)流場(chǎng)分布情況和大小，對(duì)速度場(chǎng)和湍動(dòng)能產(chǎn)生的位置和大小范圍也有影響，同時(shí)空化發(fā)生器核心區(qū)的平均汽含率也有影響。

3）本文對(duì)比分析了3 種不同的兩級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)空化發(fā)生器，在相同邊界條件下，帶中心孔的輻射狀排布的孔板與文丘里管喉部完全嵌套所組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)空化發(fā)生器速度場(chǎng)和湍動(dòng)能分布范圍最大，汽含率最高可達(dá)99%，空化發(fā)生器范圍也最大，綜合對(duì)比可知，此空化發(fā)生器裝置的空化性能最好。