韓桂華 侯進(jìn)軍 趙志偉 張艷芹

摘 要：為了提高孔板空化器的水力空化強(qiáng)度并得到空化規(guī)律，考慮到脈動(dòng)對(duì)空化模型的影響引入了脈動(dòng)影響因子，得出流體脈動(dòng)空化模型，采用多相流的方法通過(guò)Fluent軟件得出流體的氣液兩相傳質(zhì)速率及湍流強(qiáng)度，最后得出流體空化規(guī)律。研究結(jié)果表明：當(dāng)恢復(fù)壓力一定時(shí)，適當(dāng)增加入口壓力可以提高流體的空化強(qiáng)度，在0.5～0.7MPa可獲得較大的空化強(qiáng)度，當(dāng)壓力繼續(xù)增加時(shí)，使空化強(qiáng)度和發(fā)育程度均降低;相比于進(jìn)口壓力，出口壓力對(duì)流體空化強(qiáng)度起主導(dǎo)作用，在0.4～0.6MPa空化強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，當(dāng)出口壓力繼續(xù)增加時(shí)，壓差過(guò)小抑制了空化的發(fā)生;分析多孔出流的流體湍動(dòng)模型和傳質(zhì)速率得出，在0.4～0.6MPa多孔出流引起了流體的湍動(dòng)疊加效應(yīng)，導(dǎo)致空化強(qiáng)度增加。

關(guān)鍵詞：水力空化;多相流;瞬態(tài)響應(yīng);湍流強(qiáng)度;傳質(zhì)速率

DOI：10.15938/j.jhust.2021.06.009

中圖分類號(hào)： TK72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2021）06-0066-07

Turbulence Characteristics of Cavitating Fluid in Orifice

HAN Gui-hua， HOU Jin-jun， ZHAO Zhi-wei， ZHANG Yan-qin

（School of Mechanical and Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：In order to improve the hydrodynamic cavitation intensity and obtain the cavitation law of orifice plate cavitator， Considering the influence of fluctuation on cavitation model， fluctuation influence factors were introduced. We obtained the fluid fluctuation cavitation model， using the method of multiphase flow to get mass transfer rate and turbulence intensity of gas-liquid two-phase through the Fluent software， and finally obtained the fluid cavitation law. The results showed that： When the recovery pressure is constant， increasing the inlet pressure properly can improve the cavitation intensity of the fluid， and a higher cavitation intensity is obtained between 0.5 and 0.7MPa. Cavitation intensity and degree of development decrease as pressure continues to increase. Comparing with inlet-pressure， outlet-pressure plays a dominant role in the cavitation intensity of fluids， which increases continuously between 0.4 and 0.6MPa. When outlet-pressure continues to increase， the occurrence of cavitation is inhibited by small pressure difference. The turbulence model and mass transfer rate of multihole outflow are analyzed and it is found that the turbulent superposition effect is caused of the fluid and the cavitation intensity is increased by the multihole outflow between 0.4 and 0.6MPa.

Keywords：hydraulic cavitation; multiphase flow; transient response; turbulent intensity; mass transfer rate

0 引 言

近二十年，越來(lái)越多的學(xué)者研究水力空化特性及其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，在多種水力空化器中，孔板式水力空化器依靠其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)在工業(yè)上占據(jù)主要地位[1-7]。起初，利用空化數(shù)分析流體的空化強(qiáng)度[8-9]，但是空化數(shù)需要計(jì)算多個(gè)參數(shù)，耗時(shí)費(fèi)力，仿真軟件Fluent出現(xiàn)后，應(yīng)用在多種流體領(lǐng)域[10-14]，有學(xué)者采用氣含率表示流體的空化強(qiáng)度[15-18]，但是仿真出的氣含率云圖展現(xiàn)的是流體內(nèi)的空泡區(qū)，無(wú)法顯示空泡潰滅時(shí)引起的能量變化，因此，氣含率展示的是空泡分布區(qū)域即空泡范圍和空泡密度，并不是空化強(qiáng)度，當(dāng)空泡較長(zhǎng)時(shí)間處在低壓區(qū)并充分發(fā)展后潰滅能量急劇下降，和靜止液體中氣泡潰滅現(xiàn)象相似。有學(xué)者指出空泡潰滅時(shí)造成的流體湍動(dòng)能可以較好的表示空化強(qiáng)度，并利用實(shí)驗(yàn)證明了其正確性和實(shí)用性[19-20]。

本文采用湍動(dòng)能和傳質(zhì)速率分析孔板空化器內(nèi)流體的空化強(qiáng)度，探究不同網(wǎng)格數(shù)對(duì)流體仿真的影響，設(shè)置不同入口壓力分析流體湍動(dòng)規(guī)律，通過(guò)改變出口壓力控制空泡發(fā)展程度分析流體湍動(dòng)變化，最后分析多孔出流流體對(duì)湍動(dòng)的影響。

1 建立空化模型

均相流空化模型中最關(guān)鍵的部分是通過(guò)控制蒸發(fā)源項(xiàng)和凝結(jié)源項(xiàng)控制空化的發(fā)展，Zwart-Gerber-Belamri空化模型是基于簡(jiǎn)化的Rayleigh-Plesset方程提出的，重點(diǎn)考慮了空泡體積變化在空化初生和發(fā)展時(shí)的影響，計(jì)算精確且收斂性較好，廣泛應(yīng)用在水力空化數(shù)值計(jì)算中。

氣液兩相流處在非平衡狀態(tài)，空泡體積也時(shí)刻在變化，假設(shè)空泡為球形，不同時(shí)刻空泡半徑Ri可用空泡動(dòng)力學(xué)Rayleigh-Plesset方程解出，Rayleigh-Plesset方程描述了空泡在空化過(guò)程中的變化，如下式所示。

pB（t）-pρL=Rd2Rdt2+32dRdt2+4νLRdRdt+2SρLR（1）

式中：pB（t）為t時(shí)刻空泡內(nèi)部壓力，假設(shè)空泡內(nèi)只有水蒸氣，pB（t）=pv（Ti），pv（Ti）為在溫度為T(mén)i時(shí)液體的飽和蒸氣壓強(qiáng);p為混合流體內(nèi)部壓強(qiáng);νL為液體的運(yùn)動(dòng)粘度;dR/dt、d2R/dt2分別為空泡半徑生長(zhǎng)速度和加速度;S為液體的表面張力。

空泡潰滅產(chǎn)生的脈動(dòng)會(huì)對(duì)周圍空泡產(chǎn)生影響，使空化核生長(zhǎng)滯后，同時(shí)使?jié)缣崆鞍l(fā)生，本文考慮到脈動(dòng)對(duì)空化模型的影響引入脈動(dòng)影響因子，得出流體脈動(dòng)空化模型，其蒸發(fā)源項(xiàng)和凝結(jié)源項(xiàng)表達(dá)式為：

m+=C+Ce3αnuc（1-αv）ρvRB23|pv（Ti）-p|ρl（2）

m-=C-Cc3αvρvRB23|pv（Ti）-p|ρl（3）

式中：m+、m-為蒸發(fā)源項(xiàng)和凝結(jié)源項(xiàng);Ce、Cc為蒸發(fā)和凝結(jié)經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)，取值Ce=50，Cc=0.01;αnuc為空化核體積分?jǐn)?shù)，取值αnuc=5×10-4;αv為蒸氣相體積分?jǐn)?shù);ρv、ρl為蒸氣相和液相密度;RB為空化核半徑，取值RB=2.0×10-6m;C+、C-為脈動(dòng)系數(shù)，C+=（1-vip3out/σ），C-=（1+vsp3out/σ），vi、vs為節(jié)流孔內(nèi)流體脈動(dòng)速度和空泡潰滅引起的脈動(dòng)速度，pout為恢復(fù)壓力，σ為液體的表面張力系數(shù)。

在流體空化和湍動(dòng)作用下，導(dǎo)致流體內(nèi)的蒸氣相、液相及氣液混合相密度在不同位置呈現(xiàn)不同。在節(jié)流口出流區(qū)域蒸氣相密度最大，液相和流體混合密度最小，當(dāng)壓力恢復(fù)到設(shè)定壓力后，空泡潰滅，導(dǎo)致液相密度和混合流體密度增大。本模型中假設(shè)空泡為蒸氣泡，混合流體密度ρ可用下式計(jì)算。

1ρ=1ρv+1-αvρl（4）

式中：ρv、ρl分別為水蒸氣和液體的密度。

氣相密度根據(jù)氣體的狀態(tài)方程可知

ρv=ρv0ppv（Ti）1/λ（5）

式中：ρv0表示水蒸氣在飽和蒸氣壓pv（Ti）下的密度;λ為水蒸氣的熱容比。

水密度在壓力的影響下，表現(xiàn)為

ρl=ρl0ep-p0E0（6）

式中：ρl0為水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p0下的密度;E0為水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的初始體積彈性模量。

2 網(wǎng)格密度對(duì)湍動(dòng)的影響

本文的三維流體模型如圖1所示，節(jié)流孔直徑為3.0mm，長(zhǎng)度為5.0mm，為了展示內(nèi)部流體狀態(tài)設(shè)置一軸向監(jiān)測(cè)面，標(biāo)出其在數(shù)值模擬中的坐標(biāo)。

在ICEM中將流體網(wǎng)格密度分別設(shè)置為70萬(wàn)、80萬(wàn)、90萬(wàn)、100萬(wàn)、110萬(wàn)，網(wǎng)格類型為六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在Fluent中進(jìn)行仿真。參數(shù)設(shè)置如表1所示。

從圖2可以看出網(wǎng)格密度對(duì)湍動(dòng)局部數(shù)值影響較大，對(duì)湍動(dòng)整體分布影響較小，以上幾種不同密度的網(wǎng)格都可以保證湍動(dòng)模型的正確性，因此可以忽略網(wǎng)格密度的影響?？栈髂M采用瞬態(tài)模型，考慮到湍動(dòng)區(qū)域的一致性和計(jì)算機(jī)性能，選擇模型密度為100萬(wàn)作為后文的研究對(duì)象，以氣液兩相傳質(zhì)速率作為衡量空化強(qiáng)度的主要依據(jù)，并分析孔板空化器的湍動(dòng)能特性。通過(guò)數(shù)值模擬得出的流體氣相分布如圖3所示。

3 進(jìn)、出口壓力對(duì)空化效果的影響

3.1 進(jìn)口壓力的影響

恢復(fù)壓力設(shè)置為0.1MPa，通過(guò)流體空化模型得到不同入口壓力的數(shù)值模擬結(jié)果如表2所示。

為了方便分析不同入口壓力下的空化強(qiáng)度，將以上參數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，如下式所示

Ai=|ai|10n×100%（7）

式中：ai為表中參數(shù)值;Ai為對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱數(shù);n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)需要，n=0，1，2…。

將表2中的數(shù)值進(jìn)行無(wú)量綱化處理，變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知，隨著入口壓力的增加，湍動(dòng)總能量不斷增加，湍動(dòng)峰值在0.4～0.8MPa較高，湍動(dòng)總能、正向傳質(zhì)速率與負(fù)向傳質(zhì)速率在0.5～0.7MPa符合度較高，因此適當(dāng)增加入口壓力可以提高流體的空化強(qiáng)度。

3.2 出口壓力的影響

入口壓力設(shè)定值為1.0MPa，不同出口壓力數(shù)值模擬結(jié)果如表3所示。

將表3中的數(shù)值進(jìn)行無(wú)量綱化處理，變化規(guī)律如圖5所示。

由圖5可知，隨著恢復(fù)壓力不斷增加，流體湍動(dòng)峰值波動(dòng)較大，在0.4～0.6MPa之間湍動(dòng)峰值較大，湍動(dòng)總能量呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì)，在0.4～0.6MPa斜率較大，雖然0.7～0.8MPa斜率最大，但是湍動(dòng)峰值較低。正向傳質(zhì)速率變化趨勢(shì)較平穩(wěn)，表示出口壓力對(duì)空泡的形成影響較小，負(fù)向傳質(zhì)速率波動(dòng)較大，在0.4～0.6MPa與湍動(dòng)總能量呈同樣變化趨勢(shì)。

綜上所述，相比入口壓力，出口壓力對(duì)流體湍動(dòng)能起主導(dǎo)作用，因?yàn)槌隹趬毫刂瓶张莸臐缢俾?，同時(shí)壓差也會(huì)產(chǎn)生一定影響，由圖5可知，在0.4～0.6MPa負(fù)向傳質(zhì)速率與湍動(dòng)總能量在斜率上符合度較高，并且在此壓力段間湍動(dòng)峰值較高，因此在分析多孔出流時(shí)選擇4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)模型研究流體的湍動(dòng)特性。

4 節(jié)流孔數(shù)量對(duì)空化的影響

為了研究多個(gè)節(jié)流孔對(duì)空化的影響，建立了兩孔、三孔和四孔模型，節(jié)流孔直徑均為3.0mm，孔板厚度為5.0mm，孔板直徑為60.0mm，節(jié)流孔為環(huán)形陣列均勻分布，陣列直徑為15.0mm。兩孔、三孔、四孔孔板如圖6所示。

過(guò)節(jié)流孔設(shè)置一監(jiān)測(cè)面，將x軸設(shè)置為徑向方向，湍動(dòng)能多孔效應(yīng)如圖7所示。

分析圖7，出流孔數(shù)增加使湍動(dòng)在出流流體之間保持在較高水平，同時(shí)湍動(dòng)疊加效應(yīng)使流體湍動(dòng)區(qū)域擴(kuò)大，同時(shí)降低了湍動(dòng)的消失速率，為空泡潰滅提供了有利條件。

多孔出流的空化效果如表4所示，表中a，b，c分別表示兩孔、三孔、四孔出流。

分析圖8可知，隨著恢復(fù)壓力增加，負(fù)向傳質(zhì)速率和湍動(dòng)總能量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，正向傳質(zhì)速率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，恢復(fù)壓力增加導(dǎo)致空泡潰滅劇烈進(jìn)而引起周圍流體湍動(dòng)能上升，但是孔板前后壓差降低，導(dǎo)致低壓區(qū)壓力上升，空化核生長(zhǎng)速率降低?？讛?shù)增多使單位時(shí)間內(nèi)流量增加，導(dǎo)致空化范圍增加，進(jìn)而使湍動(dòng)能增加，由圖7可知，多孔出流會(huì)引起流體之間的湍動(dòng)疊加效應(yīng)，使空泡潰滅更劇烈，使負(fù)向傳質(zhì)速率增加。

5 結(jié) 論

將空泡潰滅產(chǎn)生的流體脈動(dòng)引入空化模型，建立了脈動(dòng)流體空化模型，降低了空泡潰滅滯后效應(yīng)，得出流體湍動(dòng)預(yù)測(cè)模型，結(jié)合傳質(zhì)速率得出孔板空化器空化強(qiáng)度的變化規(guī)律：當(dāng)恢復(fù)壓力一定時(shí)，適當(dāng)增加入口壓力可以提高流體的空化強(qiáng)度，在0.5～0.7MPa獲得了較大的空化強(qiáng)度，當(dāng)壓力繼續(xù)增加時(shí)，形成的壓差導(dǎo)致射流速度過(guò)大，空化核未形成空泡就已經(jīng)脫離了低壓區(qū)，使空化強(qiáng)度和發(fā)育程度均降低;相比于進(jìn)口壓力，出口壓力對(duì)流體空化強(qiáng)度起主導(dǎo)作用，因?yàn)槌隹趬毫τ绊懣张莸臐缢俾?，同時(shí)壓差也會(huì)產(chǎn)生一定影響，分析流體湍動(dòng)和傳質(zhì)速率得出，在0.4～0.6MPa空化強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，當(dāng)出口壓力繼續(xù)增加時(shí)，壓差過(guò)小導(dǎo)致流體動(dòng)能降低，進(jìn)而使流體壓力能升高，抑制了空化的發(fā)生;分析多孔出流的流體湍動(dòng)模型和傳質(zhì)速率得出，在0.4～0.6MPa多孔出流引起了流體的湍動(dòng)疊加效應(yīng)，造成空泡潰滅劇烈，并且使出流流體區(qū)域保持較高湍動(dòng)能量，導(dǎo)致空化強(qiáng)度增加。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 曲景學(xué). 孔板泄洪洞空化初生試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[D].成都：四川大學(xué)，2001.

[2] 張昌兵. 孔板型內(nèi)消能工水力特性試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[D].成都：四川大學(xué)，2003.

[3] 田忠. 洞塞式內(nèi)流消能工的水力特性研究[D].成都：四川大學(xué)，2006.

[4] 陶躍群. 水力空化降解廢水中有機(jī)污染物的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所），2018.

[5] CAI M， JIAN Q H， LIAN G， et al. Synergetic Pretreatment of Waste Activated Sludge by Hydrodynamic Cavitation Combined with Fenton Reaction for Enhanced Dewatering[J]. Ultrasonics Sonochemistry，2017，42：609.

[6] ALISTER Simpson， VIVEK V R. Modelling of Hydrodynamic Cavitation with Orifice： Influence of Different Orifice Designs[J]. Chemical Engineering Research and Design，2018，136：623.

[7] TASDEMIR Atila， CENGIZ brahim， YILDIZ Ergün， et al. Investigation of Ammonia Stripping with A Hydrodynamic Cavitation Reactor[J]. Ultrasonics Sonochemistry，2020，60：104741.

[8] HAMMIT F G. Cavitation and Multiphase Flowphenomena[M].New York：Mc Graw-Hill BookCo，1980：68.

[9] 潘森森.空化機(jī)理的近代研究[J].力學(xué)進(jìn)展，1979（4）：14.

PAN Sensen. Modern Research on Cavitation Mechanism[J]. Progress in Mechanics， 1979（4）：14.

[10]邵俊鵬，徐龍飛，孫桂濤.伺服驅(qū)動(dòng)液壓缸靜壓導(dǎo)向套溫度場(chǎng)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，25（4）：56.

SHAO Junpeng， XU Longfei， SUN Guitao. Temperature Field of Hydrostatic Guide Sleeve of Servo Driven Hydraulic Cylinder[J]. Journal of Harbin University of Technology， 2020，25（4）：56.

[11]楊春梅，曹炳章.空氣靜壓軸承的參數(shù)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，25（4）：48.

YANG Chunmei， CAO Bingzhang. Parameter Design and Performance Optimization of Aerostatic Bearings[J]. Journal of Harbin University of Technology， 2020，25（4）：48.

[12]陳巨輝，張宗云，陳紀(jì)元，等.流化床旋風(fēng)分離除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及數(shù)值模擬[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，25（3）：109.

CHEN Juhui， ZHANG Zongyun， CHEN Jiyuan， et al. Structural Optimization and Numerical Simulation of Fluidized Bed Cyclone Separator[J]. Journal of Harbin University of Technology， 2020，25（3）：109.

[13]李媛，張惠兵，戴野，等.安全閥閥腔流動(dòng)特性分析及數(shù)值模擬[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，25（1）：15.

LI Yuan， ZHANG Huibing， DAI Ye， et al. Flow Characteristics Analysis and Numerical Simulation of Safety Valve Chamber[J]. Journal of Harbin University of Technology， 2020，25（1）：15.

[14]李九如，李銘坤，陳巨輝.鼓泡流化床氣固兩相流動(dòng)特性數(shù)值模擬[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，24（4）：47.

LI Jiuru， LI Mingkun， CHEN Juhui. Numerical Simulation of Gas-solid Two-phase Flow Characteristics in Bubbling Gluidized Bed[J]. Journal of Harbin University of Technology， 2019，24（4）：47.

[15]錢(qián)錦遠(yuǎn). 含阻系統(tǒng)中多孔板的流動(dòng)分析及其工業(yè)應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2016.

[16]賈力平. 空化器誘導(dǎo)超空泡特性的數(shù)值仿真與試驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

[17]李志義，張曉冬，劉學(xué)武，等.水力空化及其對(duì)化工過(guò)程的強(qiáng)化作用[J].化學(xué)工程，2004（4）：27.

LI Zhiyi， ZHANG Xiaodong， LIU Xuewu， et al. Hydraulic Cavitation and Its Strengthening Effect on Chemical Process [J]. Chemical Engineering， 2004（4）：27.

[18]王智勇. 基于FLUENT軟件的水力空化數(shù)值模擬[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[19]楊思靜. 水力空化強(qiáng)化ClO_2破解甲基橙和苯并[a]芘機(jī)理研究[D].太原：中北大學(xué)，2018.

[20]韓偉. 空化區(qū)摻氣泡與空泡相互作用及紊動(dòng)空化特性的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

（編輯：溫澤宇）

收稿日期： 2020-07-15

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金（51405113）.

作者簡(jiǎn)介：

韓桂華（1972—），女，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師;

侯進(jìn)軍（1994—），男，碩士研究生.

通信作者：

張艷芹（1981—），女，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，E-mail：42609209@qq.com.

3212501908234