關(guān)新欣，張慶玲，王澤鵬

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266061)

現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展造成的全球性水污染問題越來越嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了全球的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。當(dāng)前，各個(gè)國家均十分重視水污染問題，并努力開發(fā)能夠解決水污染問題的各類方法及技術(shù)。水力空化[2-3]技術(shù)是一種新型的水處理技術(shù)[4-5]，既能夠?qū)Ω黝惒煌奈廴疚镞M(jìn)行處理，還具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[6]，如能夠進(jìn)行二次污染反應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修保養(yǎng)方便等。該優(yōu)點(diǎn)在處理有機(jī)污染物以及因生化反應(yīng)導(dǎo)致的污染時(shí)具有特別價(jià)值[7-10]。目前，研究者對(duì)水力空化技術(shù)的研究主要集中于空化的3種形式，射流空化[11]、孔板空化[12]以及漩渦空化[13]等。但這3種空化方法均不能有效地破壞空化氣泡(即不能使其迅速破碎并釋放出能量)，因此，限制了水力空化技術(shù)的推廣。文丘里管空化裝置可以更好地解決空化氣泡有效塌陷的問題，更有效地產(chǎn)生空化效果[14-16]。

水力空化是指流體里面的壓力變低到流體的飽和壓力時(shí)，在液體的內(nèi)部或在液-固界面處氣泡生成、發(fā)展和破裂的一種現(xiàn)象[17]。水力空化是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，只有當(dāng)環(huán)境條件滿足的時(shí)候，才會(huì)在流體里面形成空化。在此前研究[18]的基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件考察了文丘里管空化裝置入口直徑、入口壓力和喉部直徑等參數(shù)對(duì)文丘里管空化裝置流場(chǎng)的影響，同時(shí)探究了空化器結(jié)構(gòu)對(duì)空化程度和空化流場(chǎng)的影響，并且以含氣率來確定空化效果最好的空化器。

1 模型及參數(shù)設(shè)置

1.1 建模及網(wǎng)格劃分

模擬試驗(yàn)采用Fluent軟件，首先對(duì)文丘里管進(jìn)行建模以及劃分網(wǎng)格。由于其建模后的二維模型為軸對(duì)稱圖形，因此取其一半進(jìn)行數(shù)據(jù)推理即可。建立的模型及網(wǎng)格劃分見圖1和圖2。

圖1 試驗(yàn)建模的二維模型

圖2 試驗(yàn)建模的網(wǎng)格劃分

1.2 設(shè)置參數(shù)和算法

利用Fluent軟件對(duì)文丘里管水利空化器的性能進(jìn)行模擬分析。在整個(gè)模擬過程中，需要對(duì)進(jìn)出口的邊界條件以及材料的物性參數(shù)分別進(jìn)行設(shè)置。假定水為不可壓縮流體，空氣溫度設(shè)置為25 ℃。

1.3 網(wǎng)格相關(guān)性驗(yàn)證

對(duì)模型進(jìn)行3種不同的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)分別為14萬，17萬，20萬。以含氣率為指標(biāo)，得到3種網(wǎng)格劃分的相關(guān)性驗(yàn)證圖，見圖3。

圖3 網(wǎng)格相關(guān)性驗(yàn)證

由圖3可見：根據(jù)3種不同的網(wǎng)格數(shù)量，模擬出的結(jié)果差距很小。說明隨著網(wǎng)格數(shù)由14萬增加到20萬，數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精度隨網(wǎng)格數(shù)量的增加變化不大，因此，為了模擬的方便與精度，選用網(wǎng)格數(shù)為17萬的模型進(jìn)行模擬分析。

2 模擬結(jié)果與分析

為研究不同的結(jié)構(gòu)和尺寸的參數(shù)對(duì)空化效果的影響，通過控制變量的方法設(shè)計(jì)了8種文丘里管，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。通過對(duì)8種文丘里管進(jìn)行選擇和分組對(duì)比，在確定某個(gè)變量為前提下，對(duì)其做模擬分析，探究管子入口直徑、喉管直徑等因素對(duì)空化效果的影響。

表1 文丘里管的結(jié)構(gòu)

2.1 入口壓力對(duì)空化器空化效果的影響

選擇2#文丘里管進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：管子入出口位置直徑均為50 mm，喉管直徑為12 mm，漸擴(kuò)管長度為140 mm。模擬計(jì)算其在不同的壓力下壓力云圖的變化，結(jié)果見圖4。

系統(tǒng)中文丘里管空化器主要分為2個(gè)部分：一個(gè)是漸縮管，一個(gè)是漸擴(kuò)管，其作用方式正好相反，一個(gè)是減壓、增速；另一個(gè)是增壓、減速。漸縮管及漸擴(kuò)管相反的作用方式導(dǎo)致不同的作用效果，漸縮管的作用使喉管位置的壓力通常處于飽和蒸汽壓力之下；漸擴(kuò)管又使液體在離開關(guān)口的時(shí)候盡可能恢復(fù)到入口時(shí)的壓力。通過觀察圖4，2#文丘里管在不同的壓力入口的壓力云圖，由彩色的變化可知，整體的變化趨勢(shì)一致，均在空化器的前半段，流體的壓力充分發(fā)展，在臨近喉管的時(shí)候，流體的壓力明顯降低，最后在漸擴(kuò)管壓力恢復(fù)。同時(shí)，通過觀察不同壓力下的云圖，很明顯能看出其壓力恢復(fù)的速率是不同的，空化器入口的壓力越大，流體壓力恢復(fù)的速率明顯減慢。這也從側(cè)面說明隨著入口的壓力增大，流經(jīng)空化器的流體處于飽和蒸汽壓力下的時(shí)間越長，其空化的效果就會(huì)得到保證。

對(duì)于空化器，壓力云圖不能直接反映出其空化的效果。通過含氣率的變化云圖，能更直接的反映出空化器的空化效果。2#文丘里管不同壓力下含氣率云圖的變化見圖5。

圖4 2#文丘里管不同壓力下入口壓力云圖

圖5 2#文丘里管不同壓力下含氣率云圖

由圖5可見：在喉管的出口處，也就是氣相區(qū)，就出現(xiàn)了氣泡，然后在漸擴(kuò)管的前段高度發(fā)展。并且隨著壓力的增加，含氣率也在增加。

導(dǎo)出模擬的數(shù)據(jù)繪制不同入口壓力下2#文丘里管含氣率隨壓力的變化，結(jié)果見圖6。

由圖6可見：隨著入口壓力的增大，文丘里管的含氣率也在增加，但是其增加的曲線斜率在變低，表明當(dāng)入口壓力到達(dá)一定值時(shí)，含氣率就不再隨壓力增加而增大，也即存在一個(gè)較優(yōu)的入口壓力值，使空化效果達(dá)到較優(yōu)水平。

圖6 不同入口壓力下含氣率變化

2#文丘里管不同壓力條件下的湍流強(qiáng)度變化云圖見圖7，為更加直觀的反映湍流大小變化的情況導(dǎo)出模擬數(shù)據(jù)繪制變化曲線圖8。

圖7 不同壓力下的湍流大小變化情況

圖8 湍流強(qiáng)度值隨壓力變化曲線

由圖7和圖8可見：隨著入口壓力的增大，文丘里管的湍流強(qiáng)度也在不斷增大，同時(shí)其變化曲線的斜率在不斷減小并趨于平緩。結(jié)合含氣率變化圖以及湍流變化圖可知，只有在符合要求的氣液兩相區(qū)才會(huì)出現(xiàn)相關(guān)的湍動(dòng)現(xiàn)象，這能使流體中產(chǎn)生的氣泡充分大，以至在氣泡破裂區(qū)隨著湍流強(qiáng)度的增大瞬間破滅，并產(chǎn)生高溫高壓，該現(xiàn)象較好地解釋了文丘里管的空化作用。

2.2 喉部直徑對(duì)空化器空化效果的影響

取1#、2#、3#和4#文丘里管的喉部直經(jīng)為變量，其他參數(shù)(管子入出口位置直徑、漸擴(kuò)管長度)不變的情況下，考察了不同壓力下含氣率隨喉部直徑大小的變化情況，結(jié)果見圖9。

圖9 不同壓力下含氣率隨喉部直徑大小的變化情況

由圖9可見：當(dāng)入口壓力為0.3～0.6 MPa時(shí)，隨著喉部直徑由10 mm逐漸增至16 mm，含氣率呈逐漸升高再減低的趨勢(shì)。但當(dāng)入口壓力為0.7 MPa時(shí)，含氣率隨喉部直徑的增大呈一直降低的趨勢(shì)，這是由于流體經(jīng)過喉管受到高壓造成，即空化效果并不隨壓力的增大而變好。綜上，若喉部直徑較小，就會(huì)導(dǎo)致空化泡形成失敗，空化效果不佳；若喉管尺寸過大，壓力梯度就會(huì)變小，同樣不利于空化氣泡的產(chǎn)生、破滅，導(dǎo)致空化效果不好。

2.3 入口角度對(duì)空化器空化效果的影響

文丘里管中的空化器部件輸入位置的角度也會(huì)在一定程度上影響空化效果。選擇2#空化器進(jìn)行相關(guān)研究，其中其輸出位置尺寸是50 mm，喉管直徑是12 mm，長度為12 mm，入口壓力為0.5 MPa，入口角度對(duì)空化效果的影響見圖10，對(duì)含氣率的影響見圖11。

圖10 不同入口角度產(chǎn)生的壓力云圖

由圖10可見：隨著入口角度的增大，流體壓力隨之減低。在靠近喉部的地方，流體在經(jīng)過其后半部分的時(shí)候，壓力會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到負(fù)壓，表明在飽和蒸汽壓力下，空化會(huì)在其后半部分進(jìn)行加劇反應(yīng)，而漸擴(kuò)管也會(huì)在此處進(jìn)行恢復(fù)。當(dāng)入口角度由40°增大至55°時(shí)，其反應(yīng)面積隨之增大，整體的空化效果也隨之變好。當(dāng)入口角度達(dá)到60°時(shí)，負(fù)壓區(qū)的反應(yīng)面積縮小，整體的空化效果會(huì)變差。也從另外的角度說明，不同大小入口角度的壓力分布也有很大的不同，同時(shí)也會(huì)讓空化進(jìn)程出現(xiàn)不同的變化，此時(shí)選擇入口角度為50°時(shí)，能夠產(chǎn)生最大的空化效果。

圖11 不同入口角度對(duì)含氣率的影響

由圖11可見：藍(lán)色區(qū)域表示無空化氣泡的產(chǎn)生，這可在文丘里管的喉部以及入口位置觀察得到。其中，喉部位置的含氣率有少量的變化，表示在入口位置能夠產(chǎn)生一些少量的氣泡，接著氣泡也會(huì)慢慢增加，隨著距離上管壁越來越近，其顏色變得越來越深，代表著空化所產(chǎn)生的氣泡變得越來越多。在入口角度為40°～55°時(shí)，整個(gè)含氣率隨著漸擴(kuò)管位置由中間到兩邊，顏色由淺至深慢慢變化，表明在喉管的后端，含氣率會(huì)慢慢降低，并且空化效果也越來越差。

在空化器的后端，由于壓力逐步恢復(fù)到原來的水平，其含氣率會(huì)逐步下降，空化強(qiáng)度也會(huì)隨之變小，表明壓力大小是空化進(jìn)程中非常重要的一個(gè)因素。其中，當(dāng)入口角度為60°時(shí)，整個(gè)紅色面積最小，也即含氣率最低；當(dāng)入口角度達(dá)到一個(gè)最佳值時(shí)，空化效果也最好。若入口角度較小，喉部出口位置的壓力得不到明顯的改變，會(huì)導(dǎo)致含氣率過低；若入口角度太大，難以產(chǎn)生空化氣泡，會(huì)導(dǎo)致空化效果不好。綜上分析，入口角度優(yōu)選50°。

2.4 入口直徑對(duì)空化器空化效果的影響

一定時(shí)間內(nèi)流體的體積是由入口及出口直徑?jīng)Q定的。采用5組不同入口直徑的管子(2#、5#、6#、7#和8#)，入口位置壓力為0.3 MPa，考察空化器入口直徑對(duì)空化效果和含氣率的影響，結(jié)果見圖12和圖13。

圖12 不同入口直徑對(duì)壓力的影響

不同入口直徑的空化器中，5種不同尺寸大小的空化器中所產(chǎn)生的壓力有很大變化。進(jìn)出口尺寸大小直接影響到重要部件漸縮管以及漸擴(kuò)管的整體構(gòu)造，因此，進(jìn)出口尺寸大小在空化器較多的結(jié)構(gòu)要素中發(fā)揮著非常重要的作用。由圖12可見：在漸縮管末端和喉部前端，圖標(biāo)代表壓力的顏色出現(xiàn)分層變化，由于入口直徑變大，其喉部前后2個(gè)部分會(huì)有很明顯的顏色分層，而當(dāng)入口直徑等于50 mm時(shí)，喉部位置的壓力變最明顯，表明當(dāng)入口直徑等于50 mm時(shí)，漸縮管能起到的作用最好。當(dāng)入口直徑等于50 mm時(shí)，回壓段標(biāo)記的顏色較其他組要深，這也表明此時(shí)的壓力恢復(fù)速度較快，該階段的耗能是最少的，空化效果最好。

由圖13可見：當(dāng)壓力分別為0.3，0.4，0.7 MPa時(shí)，含氣率隨入口直徑的增大，呈現(xiàn)顯著增高狀態(tài)，達(dá)到一個(gè)閾值后，然后慢慢下降到一定階段變成平緩狀態(tài)。當(dāng)壓力為0.5，0.6 MPa時(shí)，含氣率隨入口直徑的增大而升高，在入口直徑為50 mm時(shí)達(dá)到最大閾值，然后緩慢下降。因此，入口直徑優(yōu)選50 mm。

3 結(jié)論

利用Fluent軟件，建立了文丘里管空化器的計(jì)算模型，考察了入口壓力、喉部直徑、入口的角度和入出口位置的直徑對(duì)空化效果的影響，得到了以下結(jié)論。

1)空化過程中會(huì)在喉部產(chǎn)生空化泡，并沿著漸擴(kuò)管慢慢擴(kuò)大，在喉部中間的部位達(dá)到最大值，并在其下半部分慢慢縮小消失。

2)入口壓力慢慢加大的情況下，空化效果也會(huì)越來越好。隨著入口位置壓力的逐漸加大，含氣率會(huì)受其影響而變大，增加的幅度會(huì)慢慢變小。表明當(dāng)入口壓力等于一個(gè)閾值時(shí)，含氣率達(dá)到最大值不再隨著壓力變化而變化，增加的斜率也呈慢慢變小的趨勢(shì)。所以壓力達(dá)到閾值的時(shí)候，含氣率不再增大，而湍流動(dòng)能會(huì)快速擴(kuò)增，使得管內(nèi)存在的湍流變得更加強(qiáng)烈。

3)當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不變時(shí)，喉部的直徑會(huì)影響整個(gè)含氣率的變化。當(dāng)喉部的直徑從10 mm慢慢加大到16 mm的時(shí)候，含氣率此時(shí)也會(huì)逐漸變大，而喉部直徑達(dá)到14 mm的時(shí)候，含氣率會(huì)到達(dá)最高值，然后再慢慢縮小。喉部直徑會(huì)影響到空化效果。如喉部直徑太小，則不容易產(chǎn)生空化泡，使得空化效果變差；如喉部直徑太大，則壓力會(huì)隨之變小，空化泡同樣也不容易產(chǎn)生，使得空化效果變差。

4)入口角度優(yōu)選50°，角度太小難以產(chǎn)生射流及空化泡，角度太大壓力流場(chǎng)會(huì)發(fā)生破壞，導(dǎo)致空化效果變差。

5)入口直徑優(yōu)選50 mm。入口直徑太小，空化器的恢復(fù)速度會(huì)變慢，導(dǎo)致空化效果變差，降低整個(gè)系統(tǒng)的空化效率，入口直徑太大，含氣率會(huì)慢慢減低，損耗動(dòng)能，導(dǎo)致空化效果變差。