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(1.西華大學能源與動力工程學院，四川 成都 610039;2.國網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 404100)

·能源與環(huán)境·

孔板和文丘里管復合結(jié)構(gòu)空化器的優(yōu)化設(shè)計

曾章美1，劉小兵1*，蘭 崴2，黃長久1， 柯 強1，安滿意1

(1.西華大學能源與動力工程學院，四川 成都 610039;2.國網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 404100)

利用ANSYS-CFX軟件，在相關(guān)水力裝置空化器研究的基礎(chǔ)上，對孔板和文丘里管復合結(jié)構(gòu)空化器的空化效果進行模擬優(yōu)化。在孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)相同、位置一定的條件下，對復合結(jié)構(gòu)空化器的空化流場進行數(shù)值模擬，探討3種不同形式的文丘里管喉部結(jié)構(gòu)對空化效果的影響。通過對空化流場的壓力分布、空泡體積分數(shù)以及汽含率的分析，結(jié)果表明：文丘里管喉部結(jié)構(gòu)形式對空化效果有著明顯的影響，在相同的邊界條件下，急劇型的復合結(jié)構(gòu)空化器空化效果更強。

水力空化；文丘里管；數(shù)值模擬；優(yōu)化

空化是液體內(nèi)局部壓力降低時，液體內(nèi)部或液固交界面上蒸氣或氣體的空穴(空泡)的形成、發(fā)展和潰滅過程?？栈l(fā)生時伴隨著巨大的能量變化，利用該能量可以促進物理、化學過程的發(fā)生。

空化器是利用水力空化技術(shù)對水進行處理，原理是當水流流過收縮裝置時，過流斷面急劇變化，水流被增速降壓，當壓強降到水溫汽化壓強下時發(fā)生空化?？栈Ч麖娙跤绊懣栈鞯男?，確定最優(yōu)的復合空化器結(jié)構(gòu)參數(shù)，強化空化效果，設(shè)計出具有高效率的空化器裝置對生產(chǎn)、生活有著重要的意義。目前，國內(nèi)外許多學者已經(jīng)對水力空化裝置進行了探討研究。例如：Yu H.等設(shè)計、制造、測量微文丘里管用于微流控系統(tǒng)[1]；S. Uesawa 等對文丘里管內(nèi)空泡破滅過程做了詳細的研究[2]；王智勇等針對不同壓力、不同喉部直徑和擴散段長度對文丘里管內(nèi)部空化現(xiàn)象的影響進行數(shù)值模擬[3]；章昱等采用標準k-ω模型對孔板水力空化裝置進行數(shù)值模擬，探討了空化效應(yīng)強度的影響因素[4]；王海平等對用于濕氣測量的文丘里管的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，找到了優(yōu)化參數(shù)[5]。但這些研究一般都集中于單獨的孔板或文丘里管水力空化裝置的研究。本文在結(jié)合孔板和文丘里管復合空化器最佳結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，改變文丘里管喉部結(jié)構(gòu)，利用ANSYS-CFX軟件對不同結(jié)構(gòu)形式下的空化流場進行數(shù)值模擬，獲得壓力分布、空泡體積分數(shù)及汽含率等數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的分析，得出高效率的復合空化器結(jié)構(gòu)形式，為水力空化發(fā)生器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。本文探討的優(yōu)化裝置用途廣泛，如用于油廢水處理[6]、水電站的洞塞消能、生物工程領(lǐng)域中的細胞破壁等。

1 數(shù)學模型

1.1數(shù)學模型的建立

采用NX6.0軟件建立文丘里管和孔板復合空化器三維模型，模擬采用的文丘里管的參數(shù)為：管路直徑為32 mm，進出口錐角分別為40°和10°，喉部直徑為14 mm，長12 mm。孔板安放在離文丘里管進口33.8 mm處，直徑與文丘里管喉部直徑相同，小孔直徑為1 mm，按45°均勻分布，共17個。此次設(shè)計了3種文丘里管的喉部結(jié)構(gòu)形式，分別為平滑型空化器(圖1(a))、急劇型空化器(圖1(b))和漸緩型空化器(圖1(c))。

(a)平滑型空化器

(b)急劇型空化器

(c)漸緩型空化器

1.2湍流模型的選擇

文丘里管里的水流視為不可壓縮的穩(wěn)定流動，采用標準k-ε湍流模型，湍動能黏度μt=ρCμk2/ε，其中k和ε是2個基本未知量，與之相對應(yīng)的運輸方程[7]為：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk；

(1)

(2)

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項；Gb是由于浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項；YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻；C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗常數(shù)；σk和σε分別是與湍動能k和耗散率對應(yīng)ε的Prandtl數(shù)；Sk和Sε是用戶定義的源項?？紤]流動為不可壓縮流體且不考慮用戶自定義源項，則標準k-ε模型變?yōu)椋?/p>

(3)

(4)

式中：C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

1.3網(wǎng)格劃分方法

采用ANSYS-CFX軟件進行數(shù)值模擬計算。利用ICEM-CFD對三維模型進行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格計算，通過檢查網(wǎng)格質(zhì)量，將網(wǎng)格質(zhì)量低于0.3的區(qū)域進行局部加密處理，刪除不符合質(zhì)量的網(wǎng)格。第1種結(jié)構(gòu)的模型單元網(wǎng)格總數(shù)為14萬575 9，第2種結(jié)構(gòu)的模型單元網(wǎng)格總數(shù)為14萬180 9，第3種結(jié)構(gòu)的模型單元網(wǎng)格總數(shù)為22萬170 6。

1.4邊界條件設(shè)定

選取25 ℃水和25 ℃的水蒸氣為對象進行數(shù)值模擬，設(shè)置進口為速度進口，速度為3 m/s，出口設(shè)為壓力出口，出口壓力為0 Pa,水的表面張力為0.717 N/m，密度為998 kg/m3，設(shè)定不可壓縮相為水。由于本文中模擬的復合空化器的空化流場存在氣液兩相的轉(zhuǎn)換，屬于兩相流范疇，故選取多相流中的混合模型(mixture model)。在低壓區(qū)引入空化模型，設(shè)定25 ℃水的飽和蒸汽壓為317 0 Pa，壓力插值選用線性插值，對流相的離散格式采用一階迎風，設(shè)定殘差收斂精度為1×10-4。時間控制選擇自動時間控制，模擬3種結(jié)構(gòu)模型的空化流場。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1壓力分布

在進口速度為3 m/s，出口壓力為0 Pa的條件下，3種結(jié)構(gòu)形式的文丘里孔板復合器壓力分布如圖2所示?？梢钥闯?，3種結(jié)構(gòu)形式的空化器的壓力大體都呈梯度分布。沿著流動方向壓力逐漸降低，當達到氣體飽和壓力時發(fā)生空化，在喉部與孔板連接區(qū)域壓力最低，隨后壓力逐漸升高。平滑型和急劇型、漸緩型空化器的差別在于平滑型空化器未在縮頸處出現(xiàn)壓力最低點。其原因是由于平滑型的縮頸處和擴頸處是弧形結(jié)構(gòu)，水流在這個位置的過渡較急劇型、漸緩型空化器平緩，則速度增大較緩慢，因此沒出現(xiàn)壓力最低點。3種結(jié)構(gòu)中急劇型空化器壓力變化急劇，低壓區(qū)的范圍較大，更有利于空化的發(fā)生。

圖2 復合空化器壓力分布

2.2湍動能和空化數(shù)

圖3為3種結(jié)構(gòu)空化器的湍動能分布圖?？芍?種結(jié)構(gòu)的空化器湍動能突增都發(fā)生在孔板處。湍動能是由空化現(xiàn)象引起的，當水流流經(jīng)小孔時，過流斷面急劇變化，水流速度急劇增加，導致壓力突降，當壓力降到水的汽化壓力下時產(chǎn)生空泡。在空泡產(chǎn)生和潰散的時候，流場會出現(xiàn)強烈的擾動，脈動壓力增加，湍動能也就相應(yīng)升高[10]。從圖中可以看出喉部結(jié)構(gòu)的變化對空化器的湍動能也有一定的影響。

空化數(shù)是描述空化初生和空化狀態(tài)的一個重要參數(shù)，其定義[3]為

(5)

式中：p和v分別為液體中某一選定點的絕對壓強和流速；pv為某一溫度下的液體飽和蒸汽壓；ρ為液體密度。

空化數(shù)用來判斷空化初生和衡量空化強度，還可以描述設(shè)備對空化破壞的抵抗能力以及衡量不同流場空化現(xiàn)象的相似性[8]。

根據(jù)式(5)計算3種喉部結(jié)構(gòu)空化器孔板處(X=33.8 mm)空化區(qū)的空化數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 空化數(shù)計算結(jié)果

由表中計算結(jié)果可知，3種結(jié)構(gòu)形式的空化器中，急劇型空化器的空化數(shù)最小，說明突變的收縮和擴張喉部結(jié)構(gòu)比流線型斷面的喉部結(jié)構(gòu)空化數(shù)小，即急劇型空化器發(fā)生的空化最劇烈。通過空化數(shù)的對比，說明3種空化器發(fā)生的空化程度不同，喉部結(jié)構(gòu)的形式會影響復合空化器的空化效果。

圖3 湍動能云圖

2.3空泡體積分數(shù)

圖4為3種結(jié)構(gòu)形式的空化器在相同模擬條件下的空泡體積分數(shù)分布圖?？栈l(fā)生時,由于液體的汽化以及含有的微小氣化核心成長為氣泡,致使液體中出現(xiàn)大量的空化泡,形成液體-空化泡共存的氣液兩相流[3]。空化發(fā)生的程度不同，產(chǎn)生的空泡數(shù)量就不同，空泡數(shù)量可以看出空化效果的強弱。從圖中可以看出，空泡發(fā)生在孔板小孔的周圍，A區(qū)域越多代表空泡含量越大。3種結(jié)構(gòu)形式空化器中急劇型空化器出現(xiàn)的空泡數(shù)量最多，因此急劇型空化器的空化效果最好。

圖4 空泡體積分數(shù)

2.4沿管軸汽含率分布

圖5示出3種空化發(fā)生器沿管軸的汽含率分布曲線。汽含率是氣相和液相中氣相所占的體積分數(shù)，即空泡體積分數(shù)[9]，其定義為

(6)

式中：Vg是氣體在兩相中所占的體積；V1為液體在兩相中所占的體積。

圖5中X軸坐標表示離文丘里管進口的距離，縱坐標是該位置上空泡體積分數(shù)。可知，3種空化器的汽含率曲線大致相同，空泡均出現(xiàn)在X軸30～50 mm處。在X軸35～40 mm處空泡初生，急劇型空化器汽含率從0迅速增加，達到最大值0.5后，隨后又迅速下降至0.05，在X軸40～45 mm處，汽含率從0.05緩慢下降直至為0，此過程空泡潰滅。平滑型空化器汽含率在X軸35～40 mm處迅速增加達到最大值0.35，隨后也是迅速下降，直至空泡含量為0。漸緩型空化器汽含率變化趨勢和急劇型、平滑型空化器相同，在X軸35～40 mm處迅速增加為0.21，在X軸40 mm以后迅速減小，在X軸42.5～45 mm處再次出現(xiàn)空泡，但是含量很小，不足0.1。對比3條汽含率曲線可知，急劇型空化器平均汽含率高于其他兩種形式。汽含率越大表示空泡含量越大，空化發(fā)生得越強烈，則空化器的效果越好[11]，因此3種形式中急劇型空化器空化效果最好。

圖5 沿管軸汽含率分布圖

3 結(jié)論

本文利用ANSYS-CFX軟件，在孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)相同和位置相同的情況下，對文丘里管喉部結(jié)構(gòu)不同的3種復合結(jié)構(gòu)空化器的空化流場進行了數(shù)值模擬，通過對壓力分布和空泡體積分數(shù)的分析，得出以下結(jié)論。

1)對于3種結(jié)構(gòu)形式的孔板和文丘里管復合結(jié)構(gòu)空化器，平滑型和漸緩型空化器空化主要發(fā)生在喉部錐角擴散段，急劇型空化器發(fā)生在整個喉部。

2)文丘里管喉部結(jié)構(gòu)對空化器空化效果有著較大的影響，在孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)和安放位置相同的情況下，喉部的縮頸處和擴頸處越急劇，壓力變化幅度越大，空化越強，空化效果越好。3種不同結(jié)構(gòu)形式的空化器中急劇型的空化器效果最好。

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(編校：夏書林)

TheOptimizationDesignofOrificePlateandVenturi-tubeCompositeStructureofCavitator

ZENG Zhang-mei1， LIU Xiao-bing1*，LAN Wei2, HUANG Chang-jiu1， KE Qiang1， AN Man-yi1

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China；2.StateGridChongqingElectricPowerCompany,Chongqing404100China)

Based on the study of related hydraulic device cavitation machine, the cavitation effect of Orifice plate and venturi-tube composite structure was optimized through the simulation which provided in the ANSYS - CFX software. With the same structural parameters and the same place of Orifice plate, the effect of three different forms of Venturi- tube throat structure on the cavitation was analyzed through the numerical simulation of cavitating flow . Through analysis of the pressure distribution and the vapor volume fraction on cavitation flow field, we obtained better structure of cavitation. The results showed that the structure of Venturi-tube throat had an important effect on cavitation. Under the same boundary conditions, the sharp type structure of Venturi-tubethroat is optimal .

hydrodynamic cavitation ; vapor fraction ; numerical simulation; optimization

2015-02-03

國家自然科學基金(51279172)；西華大學研究生創(chuàng)新基金(ycjj2014169)。

：劉小兵(1965—)，男，教授，博士，主要研究方向為流體機械的設(shè)計和開發(fā). E-mail:liuxb@mail.xhu.edu.cn.

TK72

：A

：1673-159X(2015)06-0092-04

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.06.019

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