＊譚啟航

（大連理工大學(xué)化工學(xué)院 遼寧 116024）

引言

液相工質(zhì)中的微氣泡具有比表面積大、上升速度慢、自身增壓溶解等特點(diǎn)，氣泡在破裂過程中會產(chǎn)生大量自由基，具有強(qiáng)大的吸附去污效果，在凈水、礦物浮選、去除熔融鹽反應(yīng)器中的有害氣體、去除芯片光刻膠等方面發(fā)揮重要作用。在工業(yè)應(yīng)用中，氣泡破碎的程度越大，產(chǎn)生的氣泡越小或者數(shù)量越多，產(chǎn)生的微氣泡所具有的凈化效果也就越好[1]。比如在水產(chǎn)品養(yǎng)殖過程中，向水中輸送氧氣，當(dāng)氧氣泡直徑越小時，氣泡所產(chǎn)生的比表面積越大，越有利于氣體的交換，也就越有利于水產(chǎn)品的生長。因此在微氣泡發(fā)生器的研究中，減小裝置產(chǎn)生微氣泡的直徑，不斷提高氣泡的破碎性能一直是對微氣泡發(fā)生器最主要的研究內(nèi)容。

微氣泡發(fā)生器的種類多種多樣，按氣泡產(chǎn)生的位置大致可以分為內(nèi)部氣泡發(fā)生器（包括過濾式氣泡發(fā)生器[2]、電解式氣泡發(fā)生器[3]、文丘里式氣泡發(fā)生器等）和外部氣泡發(fā)生器（包括噴霧式氣泡發(fā)生器[4]、旋流攪拌氣泡發(fā)生器[5]等）。相關(guān)微氣泡發(fā)生器的研究中，文丘里式微氣泡發(fā)生器因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單，能量損失小等特點(diǎn)，一直是研究的熱點(diǎn)。

國內(nèi)外學(xué)者對文丘里式微氣泡發(fā)生器進(jìn)行了大量研究。劉建朝[6]對兩種型式的文丘里式氣泡發(fā)生器進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過使用不同湍流模型對兩種型式氣泡發(fā)生器進(jìn)行三維模擬，發(fā)現(xiàn)三種湍流模型對內(nèi)部流場的影響較小。Soubiran等[7]觀察到了氣泡在文丘里管內(nèi)有明顯的減速現(xiàn)象，但并未對其形成原因進(jìn)行深入探究。Fujiwara[8]利用數(shù)值模擬的方法，對氣泡在文丘里管內(nèi)的具體變化情況進(jìn)行了具體研究，發(fā)現(xiàn)主要破碎位置在擴(kuò)張段。韓月陽等[9]通過數(shù)值模擬的方法，對氣泡發(fā)生器進(jìn)行了三維建模和網(wǎng)格劃分，對氣泡發(fā)生器內(nèi)的流動特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)氣泡在氣泡發(fā)生器碎化的原因主要受在擴(kuò)張段壓力的驟升、擴(kuò)張段內(nèi)的局部渦流和湍動能的影響。邵梓一[10]指出文丘里管內(nèi)的壓力梯度作用是氣泡破碎的主要原因，為優(yōu)化文丘里微氣泡發(fā)生器性能研究擴(kuò)寬了思路。

強(qiáng)化文丘里管內(nèi)壓力梯度作用，實(shí)現(xiàn)高性能的微氣泡發(fā)生器一直是該領(lǐng)域現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)。項(xiàng)目組通過借鑒維多辛斯基立方曲線（維氏曲線）型對壓力梯度的影響，研究了一種新型文丘里微氣泡發(fā)生器——維氏曲線型文丘里微氣泡發(fā)生器[11-12]。本文對維氏曲線型文丘里微氣泡發(fā)生器的性能進(jìn)行了研究，并與傳統(tǒng)文丘里微氣泡發(fā)生器[13]做對比，分析了該新型文丘里微氣泡發(fā)生器內(nèi)壓力梯度的變化情況，以及強(qiáng)化壓力梯度后對微氣泡破碎作用的影響。

本文提出的新型文丘里微氣泡發(fā)生器，能夠有效強(qiáng)化文丘里管破碎氣泡的性能，擴(kuò)寬文丘里微氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究思路，同時該研究內(nèi)容在促進(jìn)微氣泡發(fā)生器在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用方面起到了積極作用。

1.數(shù)值計算方法

(1)控制方程

文丘里微氣泡發(fā)生器內(nèi)的控制方程包括連續(xù)性方程和伯努利方程[14-16]。

連續(xù)性方程：

式中，ρPm為混合相密度，kg/m3;

t為時間，s；

式中，k為代表相；

ρ i為第i相的密度，kg/m3；

α i為第i 相的體積分?jǐn)?shù)；

vi為第i相的速度，m/s。

伯努利方程：

式中，Pm為混合相某點(diǎn)的壓強(qiáng)，MPa；

ρ m為混合相密度，kg/m3；

v m為混合相的平均速度，m/s；

g為重力加速度，m/s2；

h為高度，m；

C為常數(shù)。

(2)數(shù)值模型

因?yàn)榫S氏曲線型文丘里微氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)高度對稱，所以可以采用如圖1所示的二維模型進(jìn)行分析。計算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。入口邊界條件采用速度入口，設(shè)置初值為1m/s；出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，壓力大小為1bar。湍流模型采用RNG k-ε湍流模型，多相流模型采用VOF模型，并且考慮相間作用力。壓力和動量分別采用PRESTO！格式和二階迎風(fēng)格式離散。

2.計算結(jié)果與分析

(1)壓力梯度分析

根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]中計算過程，設(shè)置入口進(jìn)水速度為1m/s，待流場運(yùn)行基本穩(wěn)定之后，對比分析兩種管內(nèi)壓力梯度的分布情況，兩種文丘里管的管內(nèi)壓力分布如圖2所示。

由圖2可知，維式曲線文丘里管內(nèi)壓力梯度明顯大于傳統(tǒng)型的文丘里管內(nèi)，從數(shù)值上看壓力梯度提高了50%左右，這說明維式曲線能夠有效強(qiáng)化文丘里管內(nèi)的壓力梯度，這會對氣泡破碎起到可觀的積極作用。

(2)單氣泡運(yùn)動分析

待單相水的流場穩(wěn)定之后，在（10，0）位置patch一個粒徑為Φ6mm的氣泡，代表氣泡在進(jìn)水口位置注入，設(shè)置重力方向?yàn)閄軸負(fù)方向。追蹤觀察氣泡隨時間的破碎情況，得到的氣泡變化情況，見圖3。

可以看到，在位置a以下，氣泡在入口段平穩(wěn)運(yùn)動，只發(fā)生微小變形。氣泡在快速通過收縮段后，直接進(jìn)入擴(kuò)張段，由于此處壓力梯度變化較為劇烈，如位置b至c所示，氣泡在這一過程中發(fā)生較大的拉伸變形，形態(tài)逐漸向子彈外形演變，氣泡尾部開始快速凹陷，并在不斷向前移動的過程中沖破氣泡頭部，發(fā)生第一次破碎。在氣泡完全進(jìn)入擴(kuò)張段并向前運(yùn)動時，值得注意的是，氣泡在軸向方向上完成第一次破碎后，在新型文丘里管的中后部的位置，如位置d所示，氣泡又發(fā)生了第二次破碎現(xiàn)象。

因此，通過維式曲線強(qiáng)化文丘里管內(nèi)的壓力梯度后，可以發(fā)現(xiàn)在相同操作工況下，與標(biāo)準(zhǔn)文丘里管相同的是，文丘里管內(nèi)的氣泡在壓力增大過程中發(fā)生一次破碎現(xiàn)象；而與標(biāo)準(zhǔn)文丘里管不同的是，維氏曲線型文丘里管會產(chǎn)生更加明顯的壓力先增大后減小的現(xiàn)象，并且在壓力減小過程中，發(fā)生二次破碎現(xiàn)象，證明維式曲線能夠強(qiáng)化微氣泡發(fā)生器對于氣泡的破碎能力。

(3)多氣泡運(yùn)動分析

本節(jié)單相水流場計算穩(wěn)定之后，在單氣泡初始位置的徑向方向上，patch多個相同大小的氣泡，研究維式曲線文丘里管在不同入口截面含氣率條件下的壓力梯度變化情況，并通過壓力梯度的變化情況分析了該文丘里管在含氣率升高時性能的變化情況。不同入口截面含氣率下管內(nèi)壓力梯度分布云圖，如圖4。

由圖4可以看出，當(dāng)入口截面含氣率達(dá)到11.4%時，文丘里管內(nèi)的壓力梯度的等高線開始發(fā)生輕微變形，當(dāng)含氣率超過17%時，管內(nèi)的壓力梯度等高線變得十分紊亂。結(jié)合圖5所示的入口截面含氣率為17%時的氣泡運(yùn)動和破碎情況，可以看出，多個氣泡在通過喉部之后，并沒有產(chǎn)生較好的破碎現(xiàn)象，主要發(fā)生聚合現(xiàn)象。而小部分破碎的氣泡附著在內(nèi)壁附近，形成空化現(xiàn)象，影響流體流動，造成設(shè)備內(nèi)部侵蝕，進(jìn)而影響設(shè)備的正常工作。因此，想要保持維式曲線文丘里管良好的工作性能，需要將入口截面含氣率控制在11.4%以下。

3.結(jié)論

文丘里管內(nèi)氣泡碎化的主要原因是來自管內(nèi)的壓力梯度，為強(qiáng)化文丘里管內(nèi)的壓力梯度，本文提出了一種維多辛斯基立方曲線型的文丘里微氣泡發(fā)生器。采用數(shù)值分析方法對維式曲線文丘里管內(nèi)的氣泡破碎現(xiàn)象進(jìn)行了性能分析，并與傳統(tǒng)的文丘里管進(jìn)行對比，得到以下結(jié)果和結(jié)論：

（1）相比于傳統(tǒng)型的文丘里管，維式曲線能夠有效地強(qiáng)化文丘里管內(nèi)的壓力梯度，將梯度差值提升50%左右。

（2）維式曲線文丘里微氣泡發(fā)生器的擴(kuò)張段內(nèi)，在壓力上升階段，氣泡發(fā)生一次破碎；在壓力減小階段，氣泡發(fā)生二次破碎，這是維式曲線能夠強(qiáng)化氣泡破碎的重要體現(xiàn)。

（3）當(dāng)入口截面含氣率較高時，管內(nèi)壓力梯度等高線開始變得紊亂，新型文丘里微氣泡發(fā)生器的氣泡破碎效果減弱。因此，為保證維式曲線文丘里微氣泡發(fā)生器維持良好的工作性能，需要將入口截面的含氣率控制在11.4%以內(nèi)。