曾志杰，馬雨航，白立新,*

(1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)下的微細(xì)氣泡技術(shù)委員會(huì)(ISO/TC281)的定義，微細(xì)氣泡(fine bubble)即液體中直徑<100 μm的氣泡。微細(xì)氣泡用途已經(jīng)非常廣泛，并仍在不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域，目前已在漁業(yè)水體增氧[1-2]、懸浮顆粒物的氣浮去除[3-4]、微藻細(xì)胞的采收[5-6]、有機(jī)物降解進(jìn)行廢水處理[7-8]、給水消毒[9-10]、地下水修復(fù)[11-12]、促進(jìn)植物生長[13-14]、脫脂清洗[15-16]、船舶的微泡減阻[17-18]等方向均有成熟的應(yīng)用。

微細(xì)氣泡的產(chǎn)生方式有很多種，空化是其中較重要的一種產(chǎn)泡方式。空化是指當(dāng)液體的壓強(qiáng)下降到足夠低時(shí)液體中空泡的生成及其后續(xù)的動(dòng)力學(xué)行為[19]?？张菔且环N存在徑向振動(dòng)或表面波動(dòng)的、泡與泡之間存在強(qiáng)烈相互作用的、一直處于動(dòng)態(tài)變化中，且具有高度活性的氣泡，在其內(nèi)部可能產(chǎn)生高溫高壓，在其周圍的液體中可能產(chǎn)生沖擊波、微射流、微聲流[20]。因此，相較于其他的微細(xì)氣泡產(chǎn)生方式，其正面或負(fù)面的效應(yīng)也更為強(qiáng)烈，如空化可用于清洗、乳化、漂白、結(jié)晶、納米顆粒合成、細(xì)胞粉碎、過程強(qiáng)化、超聲萃取、超聲碎石、晶粒細(xì)化，噴丸硬化和廢水處理、射流切割等；另一方面，空化也會(huì)對(duì)水工建筑和水力機(jī)械造成空蝕、產(chǎn)生振動(dòng)、發(fā)出噪聲[19]。

產(chǎn)生空化主要有2種方式：通過壓電效應(yīng)或磁致伸縮效應(yīng)由振動(dòng)產(chǎn)生的空化，稱之為聲空化；通過高速水流產(chǎn)生的空化，稱之為水力空化。通常超聲空化的空泡潰滅得更為猛烈，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各方面的表現(xiàn)均很好，但在工業(yè)應(yīng)用層面卻面臨著成本和能耗較高、經(jīng)濟(jì)性差、處理量較小、難以工業(yè)放大等問題；而水力空化的空化強(qiáng)度稍遜于超聲空化，但因其具有處理量大、成本低廉、易于工業(yè)放大等優(yōu)點(diǎn)而具備更好的工業(yè)應(yīng)用前景[21]。

水力空化發(fā)生器的種類很多，其中常見的有文丘里管、孔板、簧片哨等，近些年也出現(xiàn)了許多基于傳統(tǒng)水力空化發(fā)生器的變體。例如，孔板和文丘里管復(fù)合在一起[22-23]、孔板和簧片哨復(fù)合在一起[24]、基于文丘里原理的環(huán)隙型水力空化發(fā)生器[25-27]、基于彎頭空化原理的圓板薄層空化發(fā)生器[28-31]。追求低能耗、大流量、高空化效率，且少堵塞和易維護(hù)是水力空化器的目標(biāo)，為此，本文嘗試提出了一種兼具文丘里、彎頭、反弧、環(huán)隙特征的新型水力空化發(fā)生器，并借助高速攝影技術(shù)，對(duì)這種水力空化發(fā)生器的空化特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 彎曲文丘里環(huán)隙型水力空化發(fā)生器的設(shè)計(jì)

常見的文丘里管空化發(fā)生器是由一個(gè)漸縮段和一個(gè)漸擴(kuò)段組成。當(dāng)流動(dòng)截面積在漸縮段逐漸減小時(shí)，根據(jù)伯努利方程，壓力能轉(zhuǎn)化為流體動(dòng)能，流體的速度增加，壓力減小，在截面積最小的喉部區(qū)域流速達(dá)到最大，壓力達(dá)到最小，如果此時(shí)壓力低于空化閾值，則流體會(huì)發(fā)生空化，空泡隨著流體進(jìn)入漸擴(kuò)段，并在漸擴(kuò)段壓力增大時(shí)潰滅，如圖1(a)所示。在管道流動(dòng)中，彎頭也容易發(fā)生空化，因?yàn)榇颂幜黧w運(yùn)動(dòng)速度的方向發(fā)生改變，在流體轉(zhuǎn)彎的內(nèi)側(cè)形成低壓區(qū)，如果此處壓力低于空化閾值，則流體會(huì)發(fā)生空化，如圖1(b)所示。此外，在泄洪洞中，反弧段末端也容易發(fā)生空化，因?yàn)榇颂幜黧w的離心力發(fā)生改變，壓力突然降低，如果此處壓力低于空化閾值，則流體也會(huì)發(fā)生空化，如圖1(c)所示。基于以上幾點(diǎn)，嘗試將這3種容易發(fā)生空化的流動(dòng)特征整合在一起，設(shè)計(jì)了一種新的流動(dòng)形式，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化水力空化的目的，如圖2(a1)所示。

圖1 易發(fā)生流體空化的幾種工況Fig.1 Flow Structures Prone to Cavitation

圖2(a1)為這種結(jié)構(gòu)的二維示意圖。由圖2(a1)可知：這是一種彎曲的文丘里結(jié)構(gòu)，截面積有漸縮和漸擴(kuò)特征；同時(shí)，流體流動(dòng)方向發(fā)生了改變，具有彎頭特征；此外，流體在經(jīng)過喉部區(qū)域獲得高速度后還通過了一個(gè)彎道外側(cè)反弧段，因此，這種結(jié)構(gòu)兼具3種空化的特征。如果簡單地將常規(guī)的圓柱狀文丘里管彎折，由于管流的非對(duì)稱性，只在軸切平面才符合這種特征，其他區(qū)域受壁面效應(yīng)影響，效果會(huì)大打折扣。因此，采取2種方案實(shí)現(xiàn)這種流動(dòng)形式。(1)嘗試將圖2(a1)的二維圖形沿著Z1軸旋轉(zhuǎn)成三維結(jié)構(gòu)，如圖2(b1)和圖2(b2)所示。這種空化器的上部分與文丘里管相似，是一個(gè)漸縮的圓管；而下半部分是一個(gè)漸擴(kuò)的圓盤薄層結(jié)構(gòu)。這種空化器的上部可以連接圓管和水泵，與水泵連接；下半部分可以從圓盤外周的側(cè)面引出幾根圓管，然后匯流到一個(gè)螺紋圓管，以實(shí)現(xiàn)管道連接，或者直接置于一個(gè)水域中。文獻(xiàn)[28-31]所用的水力空化發(fā)生器為圖2(b3)結(jié)構(gòu)，僅僅是一個(gè)二維彎頭結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)體，并沒有漸縮漸擴(kuò)的文丘里特征。(2)嘗試將圖2(a1)的二維圖形沿著Z2軸旋轉(zhuǎn)成三維結(jié)構(gòu)，如圖2(c1)和圖2(c2)所示。這種空化器的上部分是一個(gè)漸縮的環(huán)隙流；而下半部分是一個(gè)流動(dòng)方向發(fā)生改變的漸擴(kuò)的圓盤薄層流體對(duì)沖結(jié)構(gòu)。這種空化器的上部分可以鏈接圓管，與水泵連接；下部分也可以連接圓管，方便實(shí)現(xiàn)管道連接。文獻(xiàn)[25-27]所用的水力空化發(fā)生器為圖2(c3)結(jié)構(gòu)，僅是一個(gè)二維直文丘里結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)體，并沒有流體方向改變的彎頭特征和反弧段空化特征。因此，本文所提出的2種新型彎曲文丘里環(huán)隙型水力空化發(fā)生器[圖2(b1)、圖2(b2)和圖2(c1)、圖2(c2)]優(yōu)于前人的設(shè)計(jì)，可以很好地整合前述3種易發(fā)生空化的流動(dòng)特征[32]。

圖2 彎曲文丘里結(jié)構(gòu)Fig.2 Structures of Curved Venturi

2 彎曲文丘里環(huán)隙型水力空化發(fā)生器內(nèi)的空化云

為了研究彎曲文丘里環(huán)隙型水力空化發(fā)生器(簡稱發(fā)生器)內(nèi)的空化云，采用準(zhǔn)二維薄層流道結(jié)構(gòu)，如圖2(a2)、圖2(a3)所示。薄層流道結(jié)構(gòu)由有機(jī)玻璃板制成，厚度為5 mm，流道直管段寬度為30 mm，流道喉部最窄處寬度為3 mm。這種薄層結(jié)構(gòu)可以復(fù)現(xiàn)三維空化發(fā)生器內(nèi)的空化狀態(tài)，同時(shí)可以有效避免空化云之間的相互遮擋，有利于進(jìn)行高速攝影研究。

2.1 不同壓力下的空化云特征

圖3清晰地記錄發(fā)生器內(nèi)不同壓力下的空化云特征。圖片是利用高速攝影機(jī)(Photron Fastcam SA-1, Photron Ltd., Japan)配合定焦鏡頭(LM50JCM, Kowa，Japan)，在透射的高亮LED燈(PI-LUMINOR 高亮LED燈，150 W)下，以幀率8 000 fps、曝光時(shí)間1/59 300 s的設(shè)置完成拍攝的。由于透射光被生成的空泡反射，沒有進(jìn)入高速攝影機(jī)，相較于其他沒有空泡或較少空泡產(chǎn)生的區(qū)域，空泡區(qū)域的像素會(huì)較暗，空泡越密集的區(qū)域，黑色像素越密集。如圖3所示，在流體高速地通過喉部(即發(fā)生器最窄的3 mm處)時(shí)，會(huì)生成空化云，空泡云間歇地被流體裹挾前進(jìn)。0.06 MPa是發(fā)生器空化初生的壓力閾值，低于這個(gè)壓力發(fā)生器不會(huì)觀察到空泡生成。圖3(a)是空化初生的空化云，空化云面積相對(duì)較小，會(huì)間接性出現(xiàn)，隨著流體前進(jìn)，先前的小空化云會(huì)逐步潰滅。當(dāng)壓力增加至0.08 MPa時(shí)，能夠看到發(fā)生器內(nèi)的空化云數(shù)量增加，如圖3(b)所示。當(dāng)壓力增加至0.10 MPa時(shí)，能看到空化云變大，空化器尾部能看到空化云隨著旋渦擴(kuò)散后，流體中分布大量的氣泡正沖出發(fā)生器，如圖3(c)所示。隨著壓力不斷上升，圖像中的黑色像塊越來越大，空泡越來越密集，空化云仍是間接性出現(xiàn)，伴隨著旋渦前行，如圖3(d～i)所示。當(dāng)壓力增加至0.40 MPa、發(fā)生器內(nèi)的空化云面積最大時(shí)，可以占據(jù)整個(gè)發(fā)生器，達(dá)到明顯的氣液兩相共存狀態(tài)。圖4給出了試驗(yàn)測得的喉部流速和入口壓力。

圖3 不同壓力下的空化云Fig.3 Cavitation Clouds under Different Pressures

圖4 入口壓力隨喉部速度的變化Fig.4 Variation of Inlet Pressure with Throat Velocity

2.2 附著型空化

將附著在壁面的空化稱作附著空化，圖5記錄的是發(fā)生器喉部區(qū)域的附著空化云，壓力為0.2 MPa。圖像是由高速攝影機(jī)配合長焦微距鏡頭(Zoom 6000，Navitar，USA；LM50JCM，Kowa，Japan)在閃光燈(HYLOW xenon flash lamp，大黑鯊I600)下，以幀率8 000 fps、曝光時(shí)間1/2 700 000 s的設(shè)置完成拍攝的。拍攝時(shí)由于利用閃光燈的反射而非透射，空化云區(qū)域內(nèi)會(huì)反射閃光燈，較多的光線進(jìn)入高速攝影機(jī)，使得較多空泡的區(qū)域圖像亮度值較高；沒有或少量空泡存在的液體區(qū)域會(huì)透射閃光燈光線，較少的光線進(jìn)入高速攝影機(jī)，使得空化云稀疏區(qū)域的像素點(diǎn)亮度較暗。由于喉部區(qū)域是發(fā)生器最窄的位置，也是流道漸漸擴(kuò)寬的初始位置，在這個(gè)位置的流體速度變化最為劇烈，其速度相較于流道的其他地方來說是最大的，也是整個(gè)流道壓力的最低點(diǎn)，是整個(gè)全部空化云的起源地。如圖5(a)實(shí)線框所示，空泡在喉部位置貼壁生成，是正在生長的附著空化云；虛線框的空化云是上一個(gè)附著空化云脫落之后的狀態(tài)。隨著時(shí)間向前推移，虛線框標(biāo)記的空化云移出視野，實(shí)線虛框內(nèi)的空化云逐步成長，如圖5(b～e)所示。最后，實(shí)線框內(nèi)的附著空化云也會(huì)像虛線框內(nèi)的空化云那樣脫落，如圖5(f～h)所示。

圖5 喉部附著空化云Fig.5 Attached Cavitation at Throat

2.3 旋渦空化云

試驗(yàn)中注意到，空泡會(huì)伴隨旋渦運(yùn)動(dòng)，如圖6所示。圖6為高速攝影機(jī)在高亮LED燈光源反射條件下拍攝的，拍攝時(shí)入口壓力為0.2 MPa。圖6(a)是在幀率為500 fps、曝光時(shí)間為1/500 s的設(shè)置下完成；圖6(b)是在幀率為8 000 fps、曝光時(shí)間為1/2 700 000 s設(shè)置下完成。空泡在流道最窄處產(chǎn)生，逐步向著流道漸漸擴(kuò)張的位置流動(dòng)，并伴隨著旋渦，如圖6(a)方框所示。為了看清楚其細(xì)節(jié)，將高速攝影機(jī)對(duì)準(zhǔn)流道某一位置，觀察旋渦的具體細(xì)節(jié)。如圖6(b)所示，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的旋渦攜帶著喉部壁面產(chǎn)生脫落后的空化云前行。旋渦由附著空化云脫落時(shí)流體剪切產(chǎn)生，這個(gè)旋渦的形態(tài)一直保持到發(fā)生器下游并逐漸增大。

圖6 旋渦空化云Fig.6 Vortex-Ring Cavitation Cloud

3 結(jié)論

本文嘗試將文丘里、彎頭、反弧這3種容易發(fā)生空化的流動(dòng)特征整合在一起，設(shè)計(jì)了一種新的流動(dòng)形式，并基于此提出了2種水力空化發(fā)生器的設(shè)計(jì)，并采用準(zhǔn)二維薄層流道結(jié)構(gòu)對(duì)這種流動(dòng)形式的空化特性進(jìn)行了高速攝影試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)可以在較低的壓力下發(fā)生空化，且空化云的空間占比較高；空化云以喉部附著空化為源頭，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的剪切和旋渦特征；空泡的空間分布呈現(xiàn)脈動(dòng)式窩狀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，這是一種具有潛在優(yōu)勢的水力空化發(fā)生裝置。