張鳳華，徐俊超，唐川林，蘇 新，李 念

（湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

水力空化是一項(xiàng)很有潛力的新型水處理技術(shù)，其具有能量利用率高、處理量大、設(shè)備簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于水力空化的研究主要表現(xiàn)為3種形式：射流空化[3]、孔板空化[4]和漩渦空化[5]。這3種空化的方法都未能很好地使空泡有效潰滅（即不能快速潰滅并釋放高能量），嚴(yán)重制約了水力空化在工業(yè)中的應(yīng)用。作者所提出的壅塞空化器能較好地解決空泡的有效潰滅問(wèn)題，能更有效地產(chǎn)生空化效應(yīng)，是一種新型高效的水力空化裝置[6-8]。

水力空化技術(shù)應(yīng)用于水處理中，主要是利用空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓等特殊的物理化學(xué)環(huán)境，因此，其關(guān)注的重點(diǎn)是空泡潰滅的有效性。本文通過(guò)在不同壅塞管直徑下對(duì)壅塞空化器的空化過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析與噪聲信號(hào)測(cè)試，探索壅塞管直徑對(duì)壅塞空化器空泡潰滅特性的影響，為壅塞空化器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 數(shù)值分析

1.1 網(wǎng)格劃分

壅塞空化器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。圖中，壅塞管長(zhǎng)度L為50mm，D為壅塞管直徑。

圖1 壅塞空化器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Configuration of choking-cavitator

水流從環(huán)狀噴嘴射入壅塞管內(nèi)，在壅塞管的上游開始出現(xiàn)大量的空泡，隨著攜帶大量空泡的流體（氣液兩相流）在壅塞管內(nèi)流動(dòng)，管內(nèi)氣相含量快速增加，當(dāng)?shù)匾羲偌眲∠陆?。在壅塞管后部的某斷面?dāng)?shù)伛R赫數(shù)Ma=1（稱為壅塞截面）時(shí)，出現(xiàn)了所謂的氣液兩相流“壅塞”現(xiàn)象。根據(jù)氣液兩相臨界流理論，壅塞截面下游的流場(chǎng)壓力增加（低于臨界壓力時(shí)）不會(huì)影響上游流場(chǎng)的壓力。適當(dāng)控制背壓的大小，一旦在壅塞空化器內(nèi)建立起了穩(wěn)定的壅塞流動(dòng)，當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)為1的壅塞截面就把管內(nèi)流場(chǎng)一分為二。壅塞截面相當(dāng)于一扇天然的閘門，把管內(nèi)流場(chǎng)分為了2個(gè)區(qū)域，上游為空泡的產(chǎn)生區(qū)（低壓區(qū)），下游為空泡的潰滅區(qū)（高壓區(qū)）。在壅塞截面處可建立較高的壓力上升梯度，這樣有利于空泡的有效潰滅。因此，壅塞空化器可以同時(shí)滿足空化過(guò)程中的空泡產(chǎn)生和潰滅需要不同流場(chǎng)的要求，使空化過(guò)程中所產(chǎn)生的空泡幾乎全部得到有效潰滅。

為了方便將其簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱問(wèn)題，減少仿真的計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，故選取環(huán)形噴嘴入口至壅塞管段作為計(jì)算區(qū)域，只需取1/2的物理模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖2。

圖2 壅塞空化器模型的網(wǎng)格劃分Fig.2 Model meshing of choking-cavitator

1.2 算法及邊界條件

計(jì)算時(shí)，氣液兩相流采用Mixture模型，不考慮滑移速度和體積壓力項(xiàng)，而傳質(zhì)模型使用Fluent自帶的Cavitation模型，紊流模擬采用Realizablek-湍流模型，各項(xiàng)計(jì)算以殘差低于10-5，且進(jìn)出口流量相對(duì)偏差低于0.5%作為收斂標(biāo)準(zhǔn)。壓力速度耦合方式為Simple，壓力插值為一階格式，動(dòng)量、k和 方程的求解采用一階迎風(fēng)格式。

邊界條件：空化器進(jìn)水處采用壓力入口邊界，進(jìn)口壓力設(shè)置為1.02 MPa，該值固定不變；壅塞管出口處設(shè)定為壓力出口邊界，出口壓力為0.1 MPa；對(duì)稱軸選用軸對(duì)稱邊界；壁面采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)處理。

本文計(jì)算和分析時(shí)， 壓力均采用絕對(duì)壓力。

1.3 壅塞管直徑對(duì)空化的影響

圖3～4分別是7種不同壅塞管直徑（6, 7, 8, 9, 10,11, 12mm）的壅塞空化器在背壓為絕對(duì)壓力0.1MPa下，軸心線的壓力和氣體體積分?jǐn)?shù)對(duì)比圖。軸心線Z的坐標(biāo)同圖2。

圖3 不同壅塞空化器軸心線的壓力分布圖Fig.3 Pressure distribution on the axis of different choking-cavitators

圖4 不同壅塞空化器軸心線的氣體體積分?jǐn)?shù)分布圖Fig.4 Air volume fraction distribution on the axis of different choking-cavitators

由圖3和4可知：

1）在0.1MPa的背壓下，壅塞空化器軸心線上的壓力或氣體體積分?jǐn)?shù)的分布隨壅塞管直徑的變化規(guī)律一致。

2）在圖3中，隨著壅塞管直徑的增大，壅塞截面向壅塞管上游移動(dòng)，最大壓力值增大，最大壓力梯度值也增大，氣泡能更有效地潰滅。

3）在圖4中，隨著壅塞管直徑從6 mm增大到12 mm，其潰滅前最大氣體體積分?jǐn)?shù)從57.9%增大到83.5%；當(dāng)壅塞管直徑增大到10 mm時(shí)，只有少量氣泡沒有潰滅。

因此，增大壅塞管直徑有利于產(chǎn)生空化。但是隨著壅塞管直徑的增大，壅塞截面會(huì)向上游移動(dòng)，導(dǎo)致上游產(chǎn)生的氣泡來(lái)不及長(zhǎng)大，影響氣泡潰滅的效果。因此，壅塞管的直徑不易過(guò)大，壅塞管的最佳直徑為10 mm。

2 噪聲信號(hào)測(cè)試與分析

2.1 試驗(yàn)裝置

壅塞空化器噪聲信號(hào)測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)由水箱、渦旋泵、壅塞空化器和水聽器等組成，壅塞空化器淹沒在水槽中，如圖5所示。

通過(guò)改變背壓罩徑向小孔的組合方式來(lái)調(diào)整背壓孔的當(dāng)量直徑d，從而調(diào)節(jié)背壓罩內(nèi)的背壓大小。水泵型號(hào)為1W2.5-12型渦旋泵，流量2.5 m3/h，揚(yáng)程120 m，額定功率3 kW；水槽尺寸為1.0 m×0.5 m×0.4 m；水聽器型號(hào)CS-3（中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所），可在幾Hz至160 kHz的頻率范圍工作，靈敏度M=-210 dB。測(cè)試系統(tǒng)為湖南工業(yè)大學(xué)和清華大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的CavTest空化噪聲測(cè)試系統(tǒng)。

2.2 能量比值分析

聲壓級(jí)（sound pressure level，SPL）定義為

式中：Pi為瞬時(shí)聲壓；Pref為參考聲壓，在空氣中一般取2×10-5Pa。

噪聲能量E定義為

式中：E為噪聲能量，J/(s·m2)；Lpi為頻帶的聲壓級(jí)，dB；fi為頻帶的中心頻率，Hz；n為測(cè)量頻帶內(nèi)等分頻段個(gè)數(shù)，取10。

在壅塞管直徑為12 mm，背壓孔當(dāng)量直徑為12 mm的條件下，采集的信號(hào)做為背景噪聲信號(hào)，并認(rèn)為該信號(hào)沒有明顯的空化信號(hào)，主要是紊流信號(hào)和其他干擾信號(hào)。將背景噪聲信號(hào)與其他背壓下的空化噪聲信號(hào)進(jìn)行比較分析，能有效地排除除空化噪聲信號(hào)以外的其他信號(hào)的影響。

來(lái)分析測(cè)試結(jié)果，式中Eb為背景噪聲能量。當(dāng)對(duì)數(shù)值等于1時(shí)，認(rèn)為發(fā)生明顯空化。

將式（1）和式（2）代入式（3），得到能量比值對(duì)數(shù)計(jì)算式

式中，pi與p′i分別為對(duì)應(yīng)頻率下采集的空化噪聲與背景噪聲的瞬時(shí)聲壓。

圖7是不同背壓孔當(dāng)量直徑時(shí)，空化噪聲能量比值對(duì)數(shù)隨壅塞管直徑的變化曲線。

圖7 壅塞管直徑對(duì)空化噪聲能量比的影響Fig.7 Effect of choke pipe diameter on cavitation noise energy ratio

由圖7可知：

1）當(dāng)背壓孔當(dāng)量直徑d為4.5, 5.0 mm時(shí)，空化噪聲能量比值對(duì)數(shù)較大。當(dāng)壅塞管直徑小于10 mm時(shí)，壅塞空化器的空化噪聲能量比值對(duì)數(shù)基本保持不變，而壅塞管直徑大于10 mm時(shí)，其空化噪聲能量比值對(duì)數(shù)減小。

2）當(dāng)背壓孔當(dāng)量直徑d為3.5, 4.0 mm時(shí)，空化噪聲能量比值對(duì)數(shù)值對(duì)壅塞管直徑的變化不敏感，且其值較小。

3）當(dāng)背壓孔當(dāng)量直徑d為5.5, 6.0, 6.5 mm時(shí)，空化噪聲能量比值對(duì)數(shù)值隨壅塞管直徑的變化波動(dòng)較大，說(shuō)明此時(shí)在壅塞管內(nèi)未能建立起穩(wěn)定的壅塞空化現(xiàn)象。

綜合考慮，壅塞管直徑為10 mm時(shí)，壅塞空化效果最佳。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)壅塞空化器在不同壅塞管直徑下的數(shù)值分析與空化噪聲信號(hào)測(cè)試分析，可得如下結(jié)論：

1）增大壅塞管直徑，最大壓力上升梯度值會(huì)增大，壅塞截面會(huì)向上游移動(dòng)。

2）壅塞空化器的數(shù)值分析和空化噪聲信號(hào)測(cè)試結(jié)果基本吻合，壅塞管的最佳直徑為10 mm。

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