李明義， 朱 洋， 張文斌, 余 政， 康 燦

(1. 江蘇大學 能源與動力工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 中國船舶集團有限公司第704研究所， 上海 200031)

空化是發(fā)生在液體中的一種相變現(xiàn)象.當液體的局部靜壓強降低到一定閾值(一般認為該閾值等于當時當?shù)匾后w的飽和蒸汽壓強)之下，液體中的空化核迅速長大成為肉眼可見的空化泡.當液體流經(jīng)節(jié)流裝置時，流速升高，而局部靜壓強降低，若靜壓強降低到液體的飽和蒸汽壓強之下，液體內(nèi)將會產(chǎn)生空化泡[1].空化泡隨主流運動到高壓區(qū)域時，由于泡壁兩側的壓力平衡被打破而發(fā)生潰滅.空化泡在瞬時潰滅過程中產(chǎn)生沖擊波與微射流，作用于附近的固體壁面上，持續(xù)的空化泡潰滅可能導致固體壁面發(fā)生材料剝落、產(chǎn)生裂縫，即空蝕[2].空化泡潰滅時釋放的巨大能量可以破壞分子的化學鍵，從而加快高分子化合物的分解過程[3].空化泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波與微射流對流場構成擾動，可以加速流場中的傳熱傳質(zhì)[4].在生物柴油的酯交換反應中，空化泡能夠幫助黏性流體克服傳質(zhì)阻力，提高反應速率[5].空化泡潰滅時在局部會產(chǎn)生極高的溫度，其熱效應促使水分子在短時間內(nèi)分解為高活性的氫氧根與氫離子，對化學反應路線起到調(diào)控作用，增加化學反應的產(chǎn)物種類[4].高活性的氫氧根離子具有極強的氧化性，能夠氧化化工廢水中的化學物質(zhì)，從而起到降解作用[6].

節(jié)流裝置是化工流體輸送系統(tǒng)中的常見部件.根據(jù)流體力學中不可壓縮流體的伯努利方程，節(jié)流裝置起著增速降壓的作用，而靜壓強下降就可能引發(fā)空化現(xiàn)象.文丘里管是一種常見的節(jié)流裝置，常被用作水力空化器[7].文丘里管的幾何參數(shù)決定著其內(nèi)部流動特征，也必然對空化現(xiàn)象的發(fā)生與演化產(chǎn)生影響.在液體介質(zhì)的體積流量一定時，減小文丘里管的喉部直徑，喉部處的靜壓強下降，空化現(xiàn)象發(fā)生的可能性增加.文丘里管擴散角越大，漸擴段內(nèi)的逆壓梯度越大，空化現(xiàn)象在漸擴段內(nèi)的發(fā)展時間就越短，表現(xiàn)為空化區(qū)的流向長度也越短[8].目前，文丘里管的結構參數(shù)與空化強度之間的定量關系尚不明確.文獻[9]中通過對比，總結出擴散角為6.5°、喉部直徑與長度的比值為1時，空化強度最高.

液體介質(zhì)的物理屬性是影響空化現(xiàn)象的重要因素.在實際工業(yè)流程中，液氮、液氦等非清水液體介質(zhì)同樣對空化現(xiàn)象的產(chǎn)生起著重要作用[10].空化現(xiàn)象的發(fā)生與液體的黏度、表面張力等物理屬性有關，也與液體的化學成分相關，空化泡潰滅釋放巨大能量引起化學反應的問題至今仍是環(huán)境保護領域的研究熱點.目前，空化現(xiàn)象的研究中一般以清水為介質(zhì)[11].堿性溶液作為化工和食品行業(yè)中的重要介質(zhì)，也是空化現(xiàn)象發(fā)生的重要載體，有關堿性溶液中產(chǎn)生空化現(xiàn)象的研究尚鮮見報道.

為此，本課題組以NaOH溶液作為發(fā)生空化現(xiàn)象的液體介質(zhì)，借助文丘里管空化實驗臺開展空化試驗.采用高速相機拍攝文丘里管內(nèi)的空化形態(tài)，并采用圖像處理程序?qū)λ臄z的圖像進行處理，計算空化區(qū)的流向長度，并分析空化區(qū)的形態(tài).采用高頻壓力脈動測量系統(tǒng)對文丘里管內(nèi)的壓力脈動及分布進行測量，并對時域信號進行快速傅里葉變換，以獲得壓力脈動的頻域特征，進而對壓力脈動的功率譜密度(power spectral density)以及均方根(root mean square，RMS)能量進行分析.研究中考慮液體介質(zhì)體積流量對空化的影響.采用不同質(zhì)量分數(shù)的NaOH溶液進行試驗，并與清水進行對比，探究液體介質(zhì)屬性對空化現(xiàn)象的影響機理.

1 試驗裝置

試驗中采用質(zhì)量分數(shù)分別為0.5%和1.0%的NaOH溶液及常溫清水作為液體介質(zhì).表1為3種液體介質(zhì)的物性參數(shù).

表1 3種液體介質(zhì)的物性參數(shù)

由表1可知：3種介質(zhì)的密度接近，NaOH溶液的動力黏度高于清水，且隨著NaOH質(zhì)量分數(shù)的增大而增大；表面張力是影響空化泡形成的重要參數(shù)，NaOH溶液的表面張力系數(shù)較清水大，且表面張力系數(shù)隨NaOH質(zhì)量分數(shù)的增大而增大.

圖1為文丘里管空化現(xiàn)象可視化試驗裝置示意圖，圖中箭頭方向為液體介質(zhì)流動方向.在輸送泵的驅(qū)動下，液體在回路中循環(huán)流動.通過變頻控制輸送泵的轉速，調(diào)節(jié)回路內(nèi)液體介質(zhì)的體積流量qV，并借助電磁流量計對體積流量進行準確測量.本試驗體積流量取值為17.7 ～24.9 m3·h-1.儲液罐內(nèi)設置格柵，可以有效消融空化泡，從而使文丘里管入口的流動保持完全液相狀態(tài).

圖1 文丘里管空化現(xiàn)象可視化試驗裝置示意圖

為了捕捉文丘里管內(nèi)的空化形態(tài)，采用有機玻璃制作文丘里管.文丘里管的外壁均為平面形狀，以消除壁面對光源折射率不均勻引起的圖像失真.文丘里管的進、出口直徑均為50 mm，喉部直徑和長度均為20 mm，漸縮段和漸擴段的長度分別為80 mm和200 mm.沿著流動方向在文丘里管壁面上開設7個孔，用以安裝壓力傳感器，測量空化泡潰滅時激發(fā)的壓力脈動及沿流動方向的分布情況.圖2為文丘里管壓力脈動監(jiān)測點設置示意圖，沿著主流方向(紅色箭頭所示方向)，7個監(jiān)測點依次表示為P1，P2，…，P7.

圖2 文丘里管壓力脈動監(jiān)測點設置示意圖(單位： mm)

采用Olympus i-SPEED 3高速相機和Tokina AT-X PRO Macro 100 mm F/2.8D微距鏡頭拍攝3種介質(zhì)在不同體積流量下的空化圖像.為了捕捉到清晰的空化區(qū)形態(tài)，將LED光源與相機布置于文丘里管的兩側.高速相機采樣頻率設定為3 000 幀·s-1.同時，試驗中借助LMS高頻壓力脈動測量系統(tǒng)獲取3種介質(zhì)在不同體積流量下的壓力脈動.對7個監(jiān)測點的壓力脈動同時進行測量.試驗中采用PCB113B27型高頻動態(tài)壓力傳感器與LMS高頻壓力脈動測量系統(tǒng)進行匹配，傳感器的響應時間小于1 μs，采樣時間設為10 s，采樣頻率為20 480 Hz.經(jīng)過校驗，該采樣頻率滿足空化泡潰滅誘發(fā)的壓力信號采集要求.

2 結果分析

2.1 空化區(qū)形態(tài)

圖3為體積流量qV=18.4 m3·h-1工況下，3種液體介質(zhì)在文丘里管內(nèi)的瞬態(tài)空化云形態(tài)圖像，其中黑色部分為空化區(qū)，紅色箭頭所示方向為主流方向.

圖3 qV=18.4 m3·h-1時3種液體介質(zhì)內(nèi)瞬態(tài)空化云形態(tài)

借助MATLAB軟件對高速相機拍攝到的原始圖像進行處理，減去背景后進行二值化和降噪處理.在該體積流量下，清水中的空化處于初生階段，0.5%NaOH 溶液中的空化區(qū)更加明顯，但空化區(qū)的流向長度與清水工況相比沒有明顯變化.1.0%NaOH溶液的空化強度明顯高于另外兩種液體介質(zhì)，因此該液體介質(zhì)產(chǎn)生空化的可能性更高.

在不同體積流量下，3種液體介質(zhì)中的瞬態(tài)空化云形態(tài)如圖4-6所示，其中紅色箭頭所示方向為主流方向.由圖4-6可以看出，隨著3種液體介質(zhì)體積流量的增加，空化區(qū)流向長度均逐漸增大，說明空化現(xiàn)象隨著文丘里管喉部流速增大而加劇.同時，空化區(qū)的形態(tài)由片狀空化逐步向云狀空化轉變，這與文獻[12]研究結果相似.

圖4 清水中瞬態(tài)空化云形態(tài)

圖5 0.5%NaOH溶液中瞬態(tài)空化云形態(tài)

圖6 1.0%NaOH溶液中瞬態(tài)空化云形態(tài)

在體積流量為24.9 m3·h-1時，1.0%NaOH溶液中空化云覆蓋整個拍攝區(qū)域，空化強度最高.對比體積流量為20.6 m3·h-1時3種介質(zhì)的空化云形態(tài)，清水中空化區(qū)形態(tài)為片狀空化，0.5%NaOH溶液中接近云狀空化，而1.0%NaOH溶液中已經(jīng)完全處于云狀空化狀態(tài).片狀空化特征為空化泡附著在文丘里管內(nèi)壁，云狀空化則以附壁空化區(qū)和離散空化泡共存為特征.離散空化泡多脫落于附壁空化區(qū)，脫落后能在一定流向范圍內(nèi)不潰滅，且占據(jù)相當大的體積份額.另外，對于NaOH溶液，其空化強度隨著NaOH質(zhì)量分數(shù)增加而逐漸增大.

3種液體介質(zhì)的密度相差不大，因此在相同體積流量下，三者在文丘里管喉部的流速近似相等，從而文丘里管喉部的靜壓強基本相等.在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)NaOH溶液在循環(huán)過程中存在固體顆粒析出的現(xiàn)象，為空化核的生長提供了條件.在相同的低壓下，NaOH溶液中形成的空化泡數(shù)量多，空化現(xiàn)象更為嚴重.對于兩種NaOH溶液，其NaOH質(zhì)量分數(shù)越高，空化核數(shù)量越多，空化現(xiàn)象越嚴重.

在不同體積流量下進行重復試驗，對圖像進行分組處理和統(tǒng)計，獲得3種介質(zhì)在不同體積流量下空化區(qū)流向長度Lc(以文丘里管喉部出口斷面為起始位置)，結果如圖7所示.

圖7 不同體積流量下空化區(qū)流向長度統(tǒng)計結果

圖7中統(tǒng)計結果為空化區(qū)流向長度的統(tǒng)計平均值，同時標示出統(tǒng)計偏差(見圖中符號上下側所示誤差線).在體積流量一定時，通過試驗觀測到空化區(qū)的流向長度呈現(xiàn)瞬時波動狀態(tài)，這與空化發(fā)生的間歇性有關.由圖7可知：每一種介質(zhì)的空化區(qū)流向長度隨體積流量的增加均呈現(xiàn)增大趨勢；清水中的空化區(qū)長度最小，這與圖3-6中呈現(xiàn)的規(guī)律一致；兩種NaOH溶液中，在體積流量較低時，空化區(qū)流向長度相差不大，但隨著體積流量增大，流向長度差別增大，1.0%NaOH溶液中流向長度較大.

對比圖4-6中3種介質(zhì)在不同體積流量下空化區(qū)形態(tài)，可以看出清水與NaOH溶液中空化區(qū)形態(tài)的區(qū)別.在3種體積流量下，清水中空化區(qū)流向長度盡管不同，但形態(tài)均以附壁空化區(qū)為主.在附壁空化區(qū)尾部，離散空化泡數(shù)量比NaOH溶液少.文丘里管軸線附近空化泡呈現(xiàn)周期性回流運動，這是清水中空化區(qū)的獨特結構.清水中空化區(qū)形態(tài)示意圖如圖8所示，其中紅色箭頭所示方向為主流方向.

圖8 清水中空化區(qū)形態(tài)示意圖

由于文丘里管擴散段內(nèi)壓力恢復，附在文丘里管內(nèi)壁上的片狀空化云在空化區(qū)尾部產(chǎn)生脫落.同時，空化區(qū)尾部存在文丘里管內(nèi)壁與軸線間的壓力梯度[13]，由于脫落的空化泡數(shù)量少，因此主流對空化泡的作用結果表現(xiàn)為空化泡向著文丘里管軸線運動，即形成回流狀態(tài).而空化泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波對主流構成局部擾動，在空化泡潰滅處存在液體流動與空化泡運動共存的多相流動結構.

在NaOH溶液中并未發(fā)現(xiàn)空化泡的回流運動.一方面，空化泡潰滅處處于擴散段的下游，壓力恢復較為充分，盡管NaOH溶液中的離散空化泡數(shù)量較多，但空化泡脫落的位置已靠近文丘里管軸線，主流的流動狀態(tài)抑制空化泡的回流；另一方面，由于NaOH溶液的動力黏度較清水大，對空化泡的約束作用較強，故空化泡的翻轉、遷移等運動受到的液體阻力較大[14].所以盡管NaOH溶液中的空化更劇烈，但其并未出現(xiàn)類似于清水中的空化泡回流現(xiàn)象.

2.2 壓力脈動特征

在各壓力脈動監(jiān)測點獲得的原始信號為時域信號，對其進行快速傅里葉變換后，得到壓力脈動的頻域特征.在頻譜中發(fā)現(xiàn)3 000 Hz以上的頻率(f)所對應的壓力脈動幅值(Ap)都很小，所以此處重點分析壓力脈動信號頻率低于3 000 Hz的區(qū)域.

以清水為例，研究有無空化現(xiàn)象時壓力脈動頻域特征的差異.清水中不同體積流量下的壓力脈動頻譜如圖9所示.由圖9可知：當體積流量為17.7 m3·h-1時，清水在文丘里管內(nèi)并未出現(xiàn)空化現(xiàn)象，各監(jiān)測點壓力脈動特征相似，均未出現(xiàn)過高的壓力脈動幅值，并且此時流場內(nèi)的特征壓力脈動頻率集中在1 000 Hz以下；當體積流量增大至18.4 m3·h-1時，文丘里管內(nèi)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，這與圖3a相對應，此時文丘里管漸擴段內(nèi)的高頻脈動被激發(fā)，各監(jiān)控點處的壓力脈動幅值均較圖9a明顯增大，P3處壓力脈動幅值最高；當頻率為500 ～3 000 Hz時，出現(xiàn)密集的壓力脈動特征頻率，同時低頻區(qū)域出現(xiàn)壓力脈動峰值(見圖9b).因此，P3點為空化區(qū)受到空化泡潰滅影響最大的位置.

圖9 清水中不同體積流量下的壓力脈動頻譜

由圖9還可知：沿著流動方向，文丘里管漸擴段內(nèi)的壓力逐漸恢復，空化區(qū)潰滅效應仍然存在，但開始逐漸衰減；從圖9b中P3點下游的監(jiān)測點來看，高頻區(qū)域仍然占據(jù)著頻譜的主導地位，但各頻率所對應的壓力脈動幅值較P3點明顯下降.

為了對空化現(xiàn)象誘發(fā)的壓力脈動在頻域內(nèi)分布情況進行統(tǒng)計分析，引入了功率譜密度的概念，定義為單位壓力脈動頻率對應的功率.功率譜密度表達式如下：

(1)

(2)

式中：ω為角頻率；S(ω)為功率譜密度；XT(ω)為截斷信號的傅里葉變換函數(shù)；P為壓力脈動信號在整個頻段內(nèi)的功率.

在空化條件下，對3種液體介質(zhì)中不同體積流量時的壓力脈動功率譜密度進行對比，結果如圖10和11所示.

圖10 qV=20.3 m3·h-1時，3種液體介質(zhì)內(nèi)功率譜密度對比

圖11 qV=22.6 m3·h-1時，3種液體介質(zhì)內(nèi)功率譜密度對比

由圖10可知：體積流量為20.3 m3·h-1時的清水中，P4點的功率譜密度峰值呈離散分布狀態(tài)，對應的特征頻率個數(shù)多，且覆蓋了0～3 000 Hz頻率范圍；同時，較高的功率譜密度對應的頻率較低.對于受到空化泡潰滅影響的P5、P6和P7點，在頻率約為400、800 Hz時均出現(xiàn)功率譜密度的峰值，但總體量值較P4點??；同時，功率譜密度在高頻區(qū)域分布較平緩；對于質(zhì)量分數(shù)為0.5%和1.0%的NaOH溶液，較高的功率譜密度均出現(xiàn)在P4點，分別對應于2 300 Hz和1 500 Hz附近的特征頻率，說明在某一頻率范圍內(nèi)存在能量聚集現(xiàn)象.然而，綜合分析圖10及圖5、6中兩種溶液中的空化圖像，可以看出，功率譜密度的大小與空化強度之間并不存在正相關關系.

由圖7可知：相較于體積流量為20.3 m3·h-1，體積流量為22.6 m3·h-1時，文丘里管內(nèi)空化現(xiàn)象加劇，空化區(qū)流向長度逐漸增加.相應地，在圖4-6中，空化區(qū)崩塌的位置逐漸向文丘里管出口方向移動，所以受到空化影響最顯著的點為P5點，這是3種介質(zhì)的共有特征.由圖11可知：清水介質(zhì)保持了其低頻區(qū)內(nèi)出現(xiàn)高功率譜密度的特征；對于0.5%NaOH溶液，與P5點對應的高頻范圍內(nèi)出現(xiàn)高功率譜密度聚集區(qū)，這與空化泡潰滅激發(fā)的高頻脈動相關；1.0%NaOH溶液中出現(xiàn)兩段明顯的高功率譜密度頻率范圍，一段在低頻區(qū)域，功率譜密度的峰值突出，另一段在頻率為1 700 Hz附近，覆蓋的頻率范圍為1 300～2 400 Hz.

對比3種液體介質(zhì)在2種體積流量下的功率譜密度可以發(fā)現(xiàn)： 3種液體介質(zhì)中最劇烈的壓力脈動主要集中在低頻區(qū)域，這與空化泡潰滅引起的流場波動有關，與最劇烈的壓力脈動相對應的特征頻率值與液體介質(zhì)本身有關；NaOH溶液在高頻區(qū)域的功率譜密度要高于清水，且對應的特征頻率個數(shù)較多；兩種NaOH溶液出現(xiàn)高功率譜密度的特征頻率范圍不同，尤其是0.5%NaOH溶液在2 500 Hz頻率附近出現(xiàn)高功率譜密度；從空化泡潰滅誘發(fā)壓力脈動的角度，目前尚無法建立空化強度與高功率譜密度的關系.

2.3 空化潰滅與均方根能量分布

壓力脈動代表的能量一般用均方根方法計算得到.為了探究不同空化程度時的壓力脈動能量在文丘里管內(nèi)的分布，在體積流量分別為20.3、22.6和24.9 m3·h-1時，分頻段對3種介質(zhì)的壓力脈動數(shù)據(jù)進行均方根(RMS)能量值計算.某一頻段內(nèi)RMS能量值(ERMS)計算公式為

(3)

式中：A0和An分別為頻段起始與末尾的壓力脈動幅值；Ak為該頻段內(nèi)任意頻率對應的壓力脈動幅值.

以文丘里管進口斷面中心為原點，主流方向為x軸負方向，對不同監(jiān)測點處的壓力脈動RMS能量值進行計算.3種液體介質(zhì)的RMS能量值變化情況如圖12所示，圖中豎向虛線表示文丘里管內(nèi)空化區(qū)消失的位置.由圖12可知：3種介質(zhì)的RMS能量值分布規(guī)律相似，即沿著流體流動方向，流場內(nèi)RMS能量值呈先減小、后增大、再減小的變化趨勢；RMS能量值最小值均出現(xiàn)在靠近文丘里管喉部出口附近的P3點；隨體積流量增加，RMS能量值最大值從P4點轉移至P5點；1.0%NaOH溶液中的RMS能量值相對較高.

圖12 3種液體介質(zhì)RMS能量值變化情況

流場內(nèi)壓力脈動RMS能量值變化與空化現(xiàn)象發(fā)展過程有關.由于文丘里管喉部的節(jié)流降壓作用，介質(zhì)內(nèi)發(fā)生空化現(xiàn)象，此時流動狀態(tài)相對穩(wěn)定.進入文丘里管漸擴段后，空化區(qū)經(jīng)歷了延伸—空化泡脫落—空化泡潰滅的周期性變化.在此過程中，空化區(qū)周圍的液體介質(zhì)接受空化區(qū)潰滅時釋放的能量，造成流場內(nèi)壓力脈動幅值升高，壓力脈動RMS能量值逐漸增加，并在空化區(qū)潰滅位置達到最大值.空化區(qū)潰滅后，盡管文丘里管擴散段內(nèi)的流動仍受到空化現(xiàn)象的影響，但RMS能量值沿流動方向持續(xù)衰減.

3 結 論

1) 隨著文丘里管內(nèi)液體介質(zhì)體積流量的增加，介質(zhì)中的瞬態(tài)空化云形態(tài)由片狀空化逐漸轉變?yōu)樵茽羁栈?相同體積流量下，NaOH溶液中的空化更為劇烈，且空化強度隨著NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)增大而增大.在清水中，空化區(qū)潰滅的位置更靠近喉部，且空化區(qū)尾部存在空化泡回流現(xiàn)象.

2) 在空化現(xiàn)象發(fā)生時，兩種NaOH溶液中高頻區(qū)域的特征頻率被激發(fā)，且隨著主流向下游發(fā)展而逐漸衰減.相比較，0.5%NaOH溶液中高功率譜密度對應的高頻更高，而0.5%NaOH溶液中低頻對應的功率譜密度量值較高.清水中低頻區(qū)域的特征頻率在壓力脈動頻譜中占據(jù)主導地位.

3) 沿著流動方向，3種液體介質(zhì)內(nèi)的壓力脈動均方根能量值均呈先減小、后增大、再減小的變化趨勢，壓力脈動均方根能量值最小值出現(xiàn)在文丘里管的喉部，最大值出現(xiàn)的位置隨著體積流量增加而向下游推移.1.0%NaOH溶液中的壓力脈動均方根能量值最大.