侯瑞杰劉正楊宋永興張林華馬子超
(1.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院,山東 濟南 250101;2.武漢第二船舶設(shè)計研究所,湖北 武漢 430064)
空化是指當(dāng)流體局部壓力低于該狀態(tài)飽和蒸汽壓時,液體內(nèi)部空泡產(chǎn)生、生長以及潰滅的過程??张轁邕^程中會導(dǎo)致溫度和壓力急劇上升[1],從而導(dǎo)致各種水力機械損傷,振動噪聲加劇和性能下降,但是利用空化產(chǎn)生的高溫高壓液體環(huán)境可以實現(xiàn)對各種化學(xué)、物理過程的強化。空泡潰滅時帶來的異乎尋常的高速微射流和沖擊波已廣泛應(yīng)用于污水處理、醫(yī)學(xué)超聲以及生物研究、化學(xué)工藝等方面[2-3]。
隨著近代工業(yè)的迅速發(fā)展,空化現(xiàn)象得到一系列應(yīng)用,如水處理,有機物降解等[4],這些實踐證明利用空化現(xiàn)象具有足夠的可行性。但是由于傳統(tǒng)的水力空化反應(yīng)器(如孔板、文丘里管)都存在空化強度低、能量利用率低等缺點,無法實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用,限制了水力空化技術(shù)的進一步發(fā)展[5]。因此,新型高效的水力空化反應(yīng)器是研制重點。
JAIN等[6]利用空化技術(shù)對飲用水進行消毒,通過一種新型渦流二極管對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌進行消毒效果對比研究,評估渦流二極管水力空化反應(yīng)器消毒效果,證明其具有很高的商用價值。NADERLOO等[7]探討使用一種新型水力空化反應(yīng)器用以生產(chǎn)生物柴油的效果,以菜籽油和甲醇作為原料使用水力空化技術(shù)制備生物柴油,得到該空化反應(yīng)器制備生物柴油的最佳工況。ALBANESE等[8-9]研究水力空化對啤酒釀造的影響,利用孔板空化反應(yīng)器輔助釀造啤酒,發(fā)現(xiàn)通過水力空化輔助釀造的啤酒效率和品質(zhì)更佳,與傳統(tǒng)方法相比,安全性更加可靠、經(jīng)濟效益更高。
與傳統(tǒng)的水力空化反應(yīng)器相比,自激離心式水力空化反應(yīng)器采用動態(tài)的剪切力產(chǎn)生空化,轉(zhuǎn)子誘導(dǎo)空化產(chǎn)生,定轉(zhuǎn)子上的盲孔為空化初生提供必要的條件,空化強度大、效率高。文章研究了自激離心式空化反應(yīng)器的空化特性,分別對3種不同轉(zhuǎn)速下的非穩(wěn)態(tài)空化特性進行數(shù)值模擬,分析反應(yīng)器內(nèi)部空化發(fā)生機理以及轉(zhuǎn)速對其水力結(jié)構(gòu)空化的影響,將有助于加深對空化機理的理解,為新型水力空化反應(yīng)器的設(shè)計提供依據(jù)。
液體氣核理論表示液體內(nèi)部存在微小空化核,若有足夠大的液體負(fù)壓作用于空化核,將使得空化核半徑擴大,此時空化核便會生長為空泡。根據(jù)力學(xué)平衡條件,空化核內(nèi)氣體壓力可由式(1)表示為
當(dāng)液體壓力P遠遠小于空化核內(nèi)壓力P0時,空化核半徑急性增長,此時空化核發(fā)育成空泡團。若流場持續(xù)在單位時間內(nèi)有一定數(shù)量的空化核發(fā)展成為空泡團,就可以認(rèn)為該流場有空化現(xiàn)象發(fā)生[10]。
利用Zwart(Zwart-Gerber-Belamri)空化模型[11]計算空泡的產(chǎn)生和潰滅??紤]非冷凝性氣體和湍流脈動的影響[12],假設(shè)空泡半徑相同,當(dāng)P<飽和蒸氣壓Pv時,氣泡膨脹的相變率Re由式(2)表示為
當(dāng)P>Pv時,氣泡壓縮和破裂的相變率Rc由式(3)表示為
式中Ce、Cc分別為蒸發(fā)和凝結(jié)經(jīng)驗系數(shù),取Ce=50、Cc=0.01;αnuc為成核點體積分?jǐn)?shù);αv為蒸汽體積分?jǐn)?shù);ρ1為流場密度,kg/m3;ρv為蒸氣密度,kg/m3;RB為空泡半徑,m。其中,蒸發(fā)過程通過式(2)計算,使用蒸發(fā)經(jīng)驗系數(shù)Ce;凝結(jié)過程通過式(3)計算,使用凝結(jié)經(jīng)驗系數(shù)Cc。
空化反應(yīng)器內(nèi)部液體流動形式是湍流,且在定子區(qū)域存在大量盲孔射流現(xiàn)象,因此采用Realizablek-ε模型進行非穩(wěn)態(tài)流場的數(shù)值計算。
在Realizablek-ε模型中,對不可壓縮流體,k和ε的方程[13]分別由式(4)和(5)表示為
式中ρ為湍流密度,kg/m3;k為湍動能,m2/s2;σk為k方程的湍流普朗特數(shù);Gk為由速度梯度而產(chǎn)生的湍動能項;v為湍流速度,m/s;μ為固定動力黏度,N·s/m2;μt為湍流動力黏度,N·s/m2;E為擴散率;ε為湍流脈動速率;C1、C2是常量;t為時間,s;ui為時均速度,m/s;xi、xj為方向向量。
針對目前市場關(guān)注的中美“貿(mào)易戰(zhàn)”,對于如何評估所謂“貿(mào)易戰(zhàn)”對今年中國貿(mào)易以及整個航運業(yè)的影響,中遠海運國際主席王宇航、馬士基集團首席執(zhí)行官施索仁、航運咨詢機構(gòu)分析師Lars Jensen等都發(fā)表了一些看法。
對于盲孔射流過程計算,Realizablek-ε模型相較于其他k-ε模型更為精準(zhǔn)。自激離心式空化反應(yīng)器內(nèi)部存在多個盲孔且經(jīng)過驗證盲孔內(nèi)部存在多個渦流。Realizablek-ε模型增加了湍流黏度的修正公式,而湍流黏度會對平均旋度產(chǎn)生影響,因此模型的計算會更準(zhǔn)確[14]。
文章設(shè)計的自激離心式水力空化反應(yīng)器由轉(zhuǎn)子、定子和外殼組成,幾何模型如圖1所示。定子和轉(zhuǎn)子位于外殼內(nèi)部,定子和轉(zhuǎn)子上均設(shè)有數(shù)量不等的未穿透的盲孔,且轉(zhuǎn)子葉片與定子盲孔出口相對放置。空泡經(jīng)由葉輪誘導(dǎo)至盲孔內(nèi)部發(fā)展,未穿透的盲孔內(nèi)部渦流和低壓分離區(qū)增大了湍流脈動速率和湍動能強度,提供了空泡發(fā)展的條件,有利于空化的繼續(xù)發(fā)展。而且當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過葉輪區(qū)域時,流體以高速流入和流過盲孔,發(fā)生強烈的剪切空化。定子盲孔和轉(zhuǎn)子之間存在間隙(1 mm),足夠小的間隙使流體高速流動,壓力降低,從而促進空化的發(fā)生。流體由外殼軸向進入,經(jīng)過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后徑向甩出,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對反應(yīng)器內(nèi)的空化現(xiàn)象有顯著影響。為研究反應(yīng)器內(nèi)空化特性以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對反應(yīng)器空化效果的影響,經(jīng)過對不同轉(zhuǎn)速空化反應(yīng)器空化效果的比較,對具有代表性的不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速工況下的幾何模型進行數(shù)值模擬。
圖1 自激離心式水力空化反應(yīng)器幾何模型圖
湍流模型采用Rrealizablek-ε模型,使用Mixture多相流模型,選擇增強壁面函數(shù)(Enhansanced-wall-Treatment),在空化求解中采用流體體積函數(shù)(Volume of Fluid,VOF)模型,空化模型采用Zwart模型。模型入口采用速度入口邊界條件,設(shè)置入口速度為0.97 m/s;壁面溫度為恒溫300 K;出口采用自由壓力出口邊界條件。
由于模型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,為取得準(zhǔn)確的結(jié)果,進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。選取5組不同網(wǎng)格尺寸的模型,在轉(zhuǎn)速為3600 r/min的工況下進行數(shù)值模擬,對定轉(zhuǎn)子之間的流體層中某點進行壓力監(jiān)測,所得網(wǎng)格尺寸與壓力的關(guān)系如圖2所示,其中壓力為表壓。水力空化的發(fā)生原理包括當(dāng)流體低于該狀態(tài)下飽和蒸汽壓時空化發(fā)生,此時液體壓力低于該狀態(tài)下飽和蒸汽壓,更遠低于一個大氣壓,因此流體域中空化發(fā)生的大部分區(qū)域為負(fù)壓區(qū)域。當(dāng)網(wǎng)格尺寸分別為0.08、0.06 cm時,流體層該點的壓力幾乎相同,壓力和網(wǎng)格尺寸無關(guān)聯(lián),因此網(wǎng)格尺寸為0.08 cm即可滿足計算精度需求。
圖2 網(wǎng)格尺寸與壓力的關(guān)系圖
為分析空化反應(yīng)器在不同轉(zhuǎn)速工況下運行時的空化特性,選取轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速3600、4320、5760 r/min進行數(shù)值模擬得到轉(zhuǎn)子剖面氣相云圖,空化穩(wěn)定時氣相云圖如圖3所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速為3600 r/min時,轉(zhuǎn)子區(qū)域處于弱空化狀態(tài),空化僅發(fā)生在葉片局部吸力面的進口,越靠近壁面氣含率越高,在空化區(qū)域的外邊緣,氣含率逐漸下降,下降至0.3時,空泡大范圍潰滅。隨著轉(zhuǎn)速增加,空化發(fā)展,空化強度和空化面積增加,其中強度和面積增加主要在3個方向上,如圖3(a)中1、2、3所示。
圖3 不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子剖面氣相云圖
(1)1為入口圓周方向,該方向沿轉(zhuǎn)子葉片入口所在的圓周逐步擴張,當(dāng)轉(zhuǎn)速為4320 r/min時,空化嚴(yán)重,空泡幾乎完全堵塞葉片進口的流道。
(2)2為出口角方向,該方向沿葉片吸力面向出口角擴張,空泡聚集在葉片背部壁面上,空化最嚴(yán)重的區(qū)域出現(xiàn)于葉片進口的背部,隨著葉片的轉(zhuǎn)動空化逐漸加劇,空泡向葉片出口的背部和流動的下游發(fā)展,部分空泡在空穴的尾端斷裂,形成部分獨立的空化區(qū)域,隨著流動的繼續(xù)發(fā)展?jié)纭?/p>
(3)3是壓力面方向,該方向沿葉片入口角向壓力面延伸,空泡附著在出口角附近的壁面上,入口角受力面的氣含率可達0.9,且順著入口角向壓力面逐漸降低,當(dāng)空泡延伸到葉片盲孔上時,由于葉片高速旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生強大的剪切力,從而在盲孔處存在剪切空化效果,同時定轉(zhuǎn)子盲孔之間產(chǎn)生收縮的流道,促進空化的發(fā)生,提供空泡發(fā)展的機會,使空泡進入轉(zhuǎn)子盲孔充分發(fā)展。
轉(zhuǎn)速升高,轉(zhuǎn)子葉片區(qū)域內(nèi)的空化主要沿上述3個方向發(fā)展。
不同轉(zhuǎn)速下空化初始和空化穩(wěn)定時的湍動能云圖如圖4所示。湍動能和空化關(guān)系密切,是衡量湍流混合能力的重要指標(biāo),在一定程度上可以反映空化的發(fā)展?fàn)顩r,湍動能越大,空化的發(fā)展越迅速,反之,湍動能越小,空化越穩(wěn)定。如圖4(a)中區(qū)域d所示,空化初始時刻湍動能集中在轉(zhuǎn)子葉片的進口,空化初生于葉片進口。隨著空化的發(fā)展,在空化穩(wěn)定階段,總體空化呈周期性變化,高湍流區(qū)主要集中在葉片的3個區(qū)域,如圖4(d)中區(qū)域a、b、c所示,與轉(zhuǎn)子葉片區(qū)域轉(zhuǎn)速增大時空化的3個發(fā)展方向相吻合,也就是入口圓周方向、出口角方向和壓力面方向。由此可見,在空化穩(wěn)定狀態(tài),空化沿上述3個方向周期性發(fā)展,達到平衡,隨著轉(zhuǎn)速升高平衡被打破,使空化沿原本周期性發(fā)展的方向繼續(xù)發(fā)展,直到新的平衡產(chǎn)生,同時轉(zhuǎn)速越大,湍動能整體越大,說明高轉(zhuǎn)速情況下空化發(fā)展更加迅速。
圖4 不同轉(zhuǎn)速下空化初始、穩(wěn)定時轉(zhuǎn)子剖面湍動能云圖
轉(zhuǎn)子的空化過程是一個交替演化過程,隨著葉輪的轉(zhuǎn)動呈現(xiàn)周期性的變化。為總結(jié)反應(yīng)器轉(zhuǎn)子區(qū)域的空泡發(fā)展規(guī)律,將一個葉輪旋轉(zhuǎn)周期總時間(T)平均分為5個時段進行分析。當(dāng)轉(zhuǎn)速為4320 r/min時,一個葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的剖面氣相云圖如圖5所示。轉(zhuǎn)子的空化過程呈現(xiàn)周期性變化。以葉片1為例,蝸舌作用會導(dǎo)致低壓區(qū)域縮小[15-16],部分空泡脫離低壓區(qū),隨后附著在葉片壁面上側(cè)的空泡逐漸脫落潰滅,縱向空化面積減小,葉片背部的空化區(qū)域收縮。以葉片2為例,隨著葉片的繼續(xù)轉(zhuǎn)動,蝸舌造成的低壓區(qū)收縮逐漸恢復(fù),空化區(qū)域分別有橫向和縱向的加長加厚,同時部分空泡脫離低壓區(qū),空泡在空穴的尾端斷裂,形成圖5(a)所示局部空泡區(qū)。以葉片3為例,此時空化處于穩(wěn)定狀態(tài),無明顯變化。3個葉片的演變過程構(gòu)成一次周期循環(huán),由以上分析中可知在一個葉輪旋轉(zhuǎn)內(nèi)周期,空泡區(qū)經(jīng)歷了收縮-穩(wěn)定-增長3個階段。
圖5 轉(zhuǎn)子剖面氣相云圖
當(dāng)轉(zhuǎn)速為4320 r/min時,一個葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的剖面壓力云圖如圖6所示。低壓區(qū)域位于葉片的吸力面和進口處,越靠近這兩個位置,壓力越低,最低壓在-950~-1025 hPa范圍內(nèi),低于對應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓,低壓位置與空化位置相對應(yīng),同時圖6(a)局部低壓區(qū)與圖5(a)局部空泡區(qū)對應(yīng),證明了空泡脫落的原因是壓力分布直接影響空化形態(tài)。由于葉片轉(zhuǎn)動在主流低壓區(qū)之外產(chǎn)生橢圓形的局部低壓區(qū),造成空泡在空穴尾端斷裂,形成局部的空化區(qū)域。局部低壓區(qū)會隨著流動而發(fā)生面積的變化,低壓區(qū)面積增大,空泡得到發(fā)展的機會,局部空化面積增大,空化強度增大。相反,低壓區(qū)面積減小,限制空泡的發(fā)展,局部空化面積減小,空化的強度降低,當(dāng)局部低壓區(qū)面積減小到一定程度時,空泡潰滅。
圖6 轉(zhuǎn)子剖面壓力云圖
轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的空泡流經(jīng)定子盲孔區(qū)域,經(jīng)其結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)發(fā)展。將一個葉輪旋轉(zhuǎn)周期總時間(T)平均分為6個時段,則定子盲孔的剖面氣相云圖如圖7所示。由于盲孔內(nèi)部存在周向速度梯度,在盲孔的中部和上部分別形成一個漩渦。當(dāng)空泡流經(jīng)盲孔區(qū)域時,由渦心低壓吸入,通過盲孔中的低壓環(huán)境發(fā)展,限制在漩渦中心,經(jīng)過轉(zhuǎn)子葉輪周期性的旋轉(zhuǎn),盲孔區(qū)域的壓強升高,盲孔內(nèi)部的空泡逐步潰滅消亡。漩渦處的低壓和湍流雖然讓空泡得到發(fā)展的機會,但也將空泡限制在一定區(qū)域中,壓縮空泡發(fā)展的空間,空泡只能發(fā)展至渦心位置,因此漩渦位置對于空泡在盲孔中的發(fā)展具有重要影響。
如圖7(d)所示,流體流經(jīng)定子區(qū)域時被分為兩部分,一部分流體以較低的速度(2 m/s)流入定子中,而另一部分流體以原有的高速(11 m/s)繼續(xù)隨著主流道流動,此時出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象,產(chǎn)生分離區(qū)。分離區(qū)內(nèi)壓力極低,且低于盲孔內(nèi)壓強,當(dāng)空泡流經(jīng)盲孔區(qū)域時,部分空泡憑借低壓在分離區(qū)發(fā)展。由于壓力在分離區(qū)驟然減小,單位液體質(zhì)量能量耗散率增加,最終導(dǎo)致湍流脈動頻率和湍流強度增加,湍動能較高的區(qū)域集中在盲孔進口分離區(qū),因此在分離區(qū)即盲孔入口附近空化得到發(fā)展。
圖7 定子盲孔剖面氣相云圖
空化在盲孔區(qū)域的發(fā)展過程呈周期性變化:1/6T~2/6T,轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的空泡到達盲孔區(qū)域,此時空泡集中在分離區(qū),分離區(qū)的低壓條件便于空化發(fā)展;2/6T~3/6T,空泡進入盲孔內(nèi)部發(fā)展;3/6T~4/6T,隨著葉輪轉(zhuǎn)動,定子區(qū)域壓力開始上升,空泡繼續(xù)進入盲孔區(qū)域發(fā)展,未進入盲孔的部分空泡開始潰滅,整體的空化區(qū)域被分割;4/6T~5/6T,定子區(qū)域壓力進一步上升,盲孔外部空泡全部潰滅,盲孔中的空泡發(fā)展受到漩渦的限制,整個定子區(qū)域僅剩漩渦處的空泡和分離區(qū)的空泡;5/6T~T,區(qū)域整體壓力繼續(xù)上升,定子區(qū)域和分離區(qū)空泡潰滅。
漩渦的位置是影響定子盲孔區(qū)域的空化效果的重要因素。漩渦中心的低壓和湍流一方面給予空泡發(fā)展的條件,但另一方面使空泡難以繼續(xù)流動,限制其發(fā)展的空間,因此更深的漩渦位置可以使空泡擁有更多的盲孔空間發(fā)展,促進空化的發(fā)生。
定子區(qū)域中心位置4個盲孔在不同轉(zhuǎn)速下的漩渦深度變化曲線如圖8所示。1/6T~3/6T為空泡流經(jīng)盲孔階段,3/6T~5/6T為空泡進入盲孔發(fā)展階段,5/6T~T為空泡潰滅消亡階段。盲孔2、4漩渦的深度變化最大,這是由于盲孔2、4更接近轉(zhuǎn)子葉輪的入口角,入口角空化強度更大對漩渦的深度產(chǎn)生影響。漩渦的深度在2/6T~4/6T即空泡在盲孔內(nèi)部發(fā)展的階段變化較大,由此可見在空泡在盲孔內(nèi)部的發(fā)展階段會影響漩渦的位置。當(dāng)轉(zhuǎn)速為5760 r/min時,漩渦的深度均值為7.84 mm,大于轉(zhuǎn)速為4320和3600 r/min時的均值(分別為6.7、5.43 mm),轉(zhuǎn)速越快,漩渦越深,而漩渦深度是影響空化反應(yīng)器定子盲孔空化效果的重要因素。因此,適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速可以通過提高盲孔內(nèi)漩渦深度來有效提高定子盲孔的空化效果。
圖8 不同轉(zhuǎn)速下定子盲孔漩渦深度變化曲線圖
不同轉(zhuǎn)速空化反應(yīng)器內(nèi)部空泡體積隨時間變化的曲線如圖9所示。轉(zhuǎn)速為3600 r/min時,空化幾乎不發(fā)生,整個反應(yīng)器內(nèi)只有少量空泡,穩(wěn)定時空泡體積均值為10.8 mm3;轉(zhuǎn)速為4320 r/min時,達到空化發(fā)生的臨界條件,空化大范圍發(fā)生,穩(wěn)定時空泡體積均值為223.6 mm3,增量為212.8 mm3;轉(zhuǎn)速為5760 r/min時,穩(wěn)定時空泡體積均值為376.9 mm3,增量為153.3 mm3,且增速減慢。這是由于空化反應(yīng)器在4320、5760 r/min轉(zhuǎn)速下處于強空化狀態(tài),轉(zhuǎn)速增加只對小部分區(qū)域產(chǎn)生影響,因此空泡體積的增加量不大,而轉(zhuǎn)速由3600 r/min增加到4320 r/min,大量區(qū)域達到空化臨界點,空化面積快速增長。初期空化不穩(wěn)定,前0.2 s空泡體積有大幅度的波動,隨后空化處于穩(wěn)定狀態(tài),反應(yīng)器內(nèi)部的周期性空化使0.2~1.0 s內(nèi)空泡體積有小幅度波動??傮w來看,適當(dāng)?shù)靥岣咿D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以增加空化強度和空化范圍,從而提升空化反應(yīng)器空化效果,在3600~4320 r/min的范圍內(nèi)提高轉(zhuǎn)速能取得更好的效果。
圖9 不同轉(zhuǎn)速下反應(yīng)器內(nèi)部空泡體積的變化曲線圖
文章提出了一種自激離心式水力空化反應(yīng)器,分別對3種不同轉(zhuǎn)速工況下的自激離心式水力空化反應(yīng)器進行數(shù)值模擬研究,分析了其內(nèi)部空化機理特性,得到如下結(jié)論:
(1)在轉(zhuǎn)子區(qū)域,空化初始時,空化初生于葉片的進口,空化穩(wěn)定時,空化分別沿入口圓周方向、出口角方向和壓力面方向進行周期性發(fā)展,達到平衡,轉(zhuǎn)速增大會破壞平衡,使空化沿原本周期性發(fā)展的方向繼續(xù)發(fā)展,直到新的平衡產(chǎn)生。
(2)在定子盲孔區(qū)域,空化的發(fā)展呈現(xiàn)周期性,分離區(qū)促進空化在盲孔入口的發(fā)展,漩渦的位置對空化在盲孔內(nèi)部的發(fā)展有重要影響,漩渦越深,盲孔空化效果越好,當(dāng)空泡在盲孔中發(fā)展時會使漩渦深度發(fā)生劇烈變化。適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速可以增加盲孔內(nèi)漩渦深度,從而有效改善定子盲孔的空化效果。
(3)對反應(yīng)器整體而言,適當(dāng)提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以增加空化強度和空化范圍,從而提升水力空化反應(yīng)器空化能力,在3600~4320 r/min的范圍內(nèi)提高轉(zhuǎn)速能取得更好的效果。