王勇，張國(guó)翔，劉厚林，肖亞?wèn)|，李剛祥，李明

(1. 蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院精密制造工程系，江蘇 蘇州 215104； 2. 江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江212013； 3. 阿奧艾斯海洋工程(上海)有限公司，上海 201206)

液體中局部壓力低于當(dāng)?shù)仫柡驼魵鈮毫r(shí)，其中未溶解的氣核就會(huì)爆發(fā)性生長(zhǎng).氣核由初生、發(fā)展再到潰滅的一系列過(guò)程被稱(chēng)為空化[1].空化泡潰滅時(shí)可以釋放巨大能量，瞬間高溫高壓足以使水裂解，生成具有氧化性的OH-[2]；產(chǎn)生的高速微射流和沖擊波將引起極端紊流和機(jī)械剪切效應(yīng)[3]，能夠破壞微生物細(xì)胞壁面，導(dǎo)致細(xì)胞失活.空化具有廣闊的應(yīng)用前景，其應(yīng)用領(lǐng)域包括污泥處理[4]、殺菌滅藻[5-6]、工業(yè)清洗[7]、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)[8]以及利用超空化為水下高速航行器降阻[9]等.

傳統(tǒng)的水力空化裝置包括文丘里管和孔板.GOGATE等[10-11]對(duì)其空化特性進(jìn)行了概括并提出優(yōu)化建議，并指出它們結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但產(chǎn)生的空泡團(tuán)體積小、空化強(qiáng)度低.近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)旋轉(zhuǎn)類(lèi)空化裝置進(jìn)行了大量研究，王勇等[12]通過(guò)改造離心泵的葉輪，設(shè)計(jì)出一種轉(zhuǎn)-定子空化發(fā)生器，改造后轉(zhuǎn)輪由定子和轉(zhuǎn)子組成，并對(duì)其空化性能進(jìn)行了數(shù)值仿真研究和可視化試驗(yàn)；KIM等[13]提出一種圓盤(pán)水力空化發(fā)生器，在圓盤(pán)的圓周方向開(kāi)有等距的孔；袁惠新等[14]利用數(shù)值模擬對(duì)一種交錯(cuò)齒盤(pán)空化裝置進(jìn)行了研究，結(jié)果表明這種齒盤(pán)空化發(fā)生器能夠產(chǎn)生更高的空泡密度.這些研究表明旋轉(zhuǎn)類(lèi)水力空化發(fā)生器具有廣闊的應(yīng)用前景，但仍需進(jìn)行深入的研究.

文中結(jié)合旋轉(zhuǎn)類(lèi)空化發(fā)生裝置和孔板的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)式水力空化發(fā)生器，兼具空化能力和輸送能力，相較于現(xiàn)有的水力空化發(fā)生裝置，具有集成度高、能量利用率高等優(yōu)勢(shì).基于CFX對(duì)水力空化發(fā)生器空化形態(tài)隨進(jìn)口壓力和流量的變化規(guī)律和定工況下空泡演變規(guī)律進(jìn)行數(shù)值研究，以期為其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律研究提供參考.

1 旋轉(zhuǎn)式空化發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究對(duì)象為一臺(tái)旋轉(zhuǎn)式水力空化發(fā)生器，該空化發(fā)生器基于一臺(tái)比轉(zhuǎn)數(shù)為117.3的單級(jí)單吸式離心泵改造而成，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)輪，該轉(zhuǎn)輪部分由36個(gè)沿圓周方向均勻布置的三角形擋板、6個(gè)直葉片以及前后蓋板組成，結(jié)構(gòu)和剖視圖如圖1所示.旋轉(zhuǎn)式水力空化發(fā)生器的設(shè)計(jì)參數(shù)：進(jìn)口壓力pin=0.1 MPa，流量Q=60 m3/h，轉(zhuǎn)速n=2 950 r/min，揚(yáng)程H=4 m.

圖1 轉(zhuǎn)輪實(shí)體結(jié)構(gòu)圖和剖視圖

2 網(wǎng)格劃分及計(jì)算方法

2.1 網(wǎng)格劃分

計(jì)算對(duì)象的求解區(qū)域包括離心轉(zhuǎn)輪和蝸殼，為保證計(jì)算收斂性和準(zhǔn)確性，將進(jìn)出口段分別延長(zhǎng)至4倍管徑.采用NX軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)式水力空化發(fā)生器進(jìn)水段、離心轉(zhuǎn)輪、蝸殼以及出水段等水體域進(jìn)行三維造型.利用ANSYS ICEM對(duì)進(jìn)出水段和蝸殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的轉(zhuǎn)輪則采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)直葉片和擋板的近壁面網(wǎng)格進(jìn)行加密，水體域裝配體網(wǎng)格如圖2所示.對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查確保滿(mǎn)足要求，同時(shí)對(duì)計(jì)算域劃分了5組網(wǎng)格以驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，采用旋轉(zhuǎn)式水力空化發(fā)生器的性能參數(shù)揚(yáng)程H作為判斷指標(biāo).

圖2 網(wǎng)格模型

當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)N為1 566 176時(shí)，揚(yáng)程H趨于穩(wěn)定，此時(shí)進(jìn)水段、離心轉(zhuǎn)輪、蝸殼及出水段的網(wǎng)格數(shù)分別為34 749，1 228 731，262 304，40 392，網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)如圖3所示.

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

2.2 數(shù)值計(jì)算方法

2.2.1 控制方程

旋轉(zhuǎn)式空化發(fā)生器數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用的控制方程包括連續(xù)方程和動(dòng)量方程，文中采用均質(zhì)流模型，水汽兩相被認(rèn)為是均相流體介質(zhì)，具有共同的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，其連續(xù)方程和動(dòng)量方程為

(1)

(2)

式中：ρm為混合相密度，ρm=ρ1α1+ρvαv，kg/m3，其中αl為液相體積分?jǐn)?shù)，αv為氣相體積分?jǐn)?shù)；μ和μt分別為層流和湍流混合相動(dòng)力黏度，N·s/m2；ui，uj為笛卡爾坐標(biāo)系下的速度分量，m/s；p為壓力，Pa.

2.2.2 湍流模型

選用RNGk-ε湍流模型[15]，其增加了R項(xiàng)以考慮高湍流應(yīng)變率的影響，提高了旋轉(zhuǎn)流以及大曲率流等復(fù)雜的湍流預(yù)報(bào)的精確性[16].

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：k為湍動(dòng)能，m2/s;vt為湍流黏度，Pa·s;Gk為湍動(dòng)能生成項(xiàng)，m2/s2.Cε1=1.42，Cε2=1.68，Cμ=0.084 5，σk=0.717 9，σε=0.717 9，η0=4.38，β=0.012.

2.2.3 空化模型

采用Zwart空化模型，其方程為

(7)

飽和蒸氣壓力取3 267.8 Pa，平均空泡直徑、空泡核體積分?jǐn)?shù)等均取默認(rèn)值.

2.3 邊界條件

進(jìn)出口邊界條件分別為總壓進(jìn)口和質(zhì)量流量出口；系統(tǒng)的參考?jí)毫υO(shè)為0；壁面設(shè)置為無(wú)滑移邊界，均使用Scalable wall functions壁面函數(shù)進(jìn)行處理；收斂殘差設(shè)為1.0×10-4.

3 結(jié)果與討論

利用CFX軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)式水力空化發(fā)生器的空化形態(tài)變化規(guī)律和空泡演變規(guī)律進(jìn)行研究.

3.1 單變量因數(shù)條件下空化形態(tài)變化規(guī)律

分析進(jìn)口壓力對(duì)空化形態(tài)的影響規(guī)律時(shí)，選取0.110,0.105,0.100,0.095,0.090 MPa這5個(gè)進(jìn)口壓力進(jìn)行研究，同時(shí)選取流量60 m3/h，轉(zhuǎn)速2 950 r/min.為方便表述，根據(jù)葉片數(shù)量，從隔舌開(kāi)始沿逆時(shí)針?lè)较虬唇嵌劝艳D(zhuǎn)輪和蝸殼均分成6個(gè)區(qū)域.

圖4為5個(gè)進(jìn)口壓力下空泡體積分布云圖，圖中δ為空泡體積分?jǐn)?shù).降低進(jìn)口壓力，首先在Ⅰ號(hào)轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)產(chǎn)生大量空泡，接著沿轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向向出口延伸，當(dāng)進(jìn)口壓力下降至0.09 MPa時(shí)，空泡開(kāi)始向Ⅵ號(hào)流道擴(kuò)張，整個(gè)蝸殼流道都被空泡團(tuán)所覆蓋.隔舌附近的過(guò)流截面積較小，壓力低，此處是空化易發(fā)生區(qū)域，靠近蝸殼出口部分的壓力則相對(duì)較高，無(wú)空泡產(chǎn)生.進(jìn)口壓力為0.11 MPa時(shí)，在Ⅰ號(hào)轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)擋板背面的含氣率可以達(dá)到1，即不含有液態(tài)的水，是一種全空化狀態(tài).進(jìn)口壓力為0.105～0.095 MPa時(shí)，6個(gè)流道內(nèi)都存在完全空化形態(tài)，且隨著壓力的降低，全空化形態(tài)向蝸殼外緣和出口擴(kuò)張.在設(shè)計(jì)工況下，空化泡影響范圍廣，全空化區(qū)域的體積大，此時(shí)旋轉(zhuǎn)式水力空化發(fā)生器的揚(yáng)程為4.24 m，合適的出口壓力有利于增大空泡團(tuán)潰滅時(shí)所釋放的能量，并且能夠滿(mǎn)足其介質(zhì)輸送的要求.進(jìn)口壓力進(jìn)一步降至0.09 MPa時(shí)，離心轉(zhuǎn)輪內(nèi)全空化區(qū)域進(jìn)一步增大，并向出口延伸，此時(shí)出口壓力降低至23 655.1 Pa，小于大氣壓力，旋轉(zhuǎn)式水力空化發(fā)生器已經(jīng)不具備液體輸送能力.

圖4 不同進(jìn)口壓力下空泡體積分布云圖

控制進(jìn)口壓力和轉(zhuǎn)速分別為0.100 MPa和2 950 r/min，依次調(diào)節(jié)流量為50，55，60，65 m3/h，其空泡分布云圖如圖5所示.增加流量，旋轉(zhuǎn)式水力空化發(fā)生器內(nèi)部的空化形態(tài)變化規(guī)律與減小進(jìn)口壓力所獲得的空化形態(tài)變化規(guī)律相似，空泡首先在轉(zhuǎn)輪的Ⅰ號(hào)流道內(nèi)產(chǎn)生，然后沿著逆時(shí)針?lè)较蛳虺隹谘由?因此可以認(rèn)為通過(guò)增大流量和降低進(jìn)口壓力，旋轉(zhuǎn)式水力空化發(fā)生器內(nèi)部空化形態(tài)遵循同樣的發(fā)展規(guī)律.

圖5 不同流量下空泡體積分布云圖

3.2 定工況條件下空泡非定常演變規(guī)律

選取進(jìn)口壓力0.100 MPa、流量60 m3/h以及轉(zhuǎn)速2 950 r/min進(jìn)行定工況條件下空泡非定常演變規(guī)律研究.其中非定常計(jì)算總時(shí)間為0.203 39 s，每1°計(jì)算1次，每10°保存1個(gè)計(jì)算結(jié)果，記為1個(gè)Δt.待計(jì)算穩(wěn)定后取最后一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期數(shù)據(jù)做分析.

利用數(shù)值模擬后處理，借助含氣率為0.1的等值面來(lái)研究空泡的演變規(guī)律.圖6為4個(gè)瞬態(tài)空化流中轉(zhuǎn)輪和蝸殼內(nèi)含氣率為0.1的等值面，從圖中可以看出，旋轉(zhuǎn)式水力空化發(fā)生器中存在2個(gè)空泡初生區(qū)：擋板的背面和蝸殼隔舌附近，分別用矩形線(xiàn)框和橢圓形線(xiàn)框標(biāo)出.

圖6 不同時(shí)刻轉(zhuǎn)輪內(nèi)含氣率為0.1的等值面

對(duì)于擋板背面的空化，從t0時(shí)刻開(kāi)始由于轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，氣核在擋板的側(cè)面開(kāi)始生長(zhǎng)為較大的空泡；在t0+3Δt時(shí)刻，角度的變化導(dǎo)致空泡團(tuán)開(kāi)始向下游發(fā)展；在t0+6Δt時(shí)刻，空泡團(tuán)完全脫離轉(zhuǎn)輪，進(jìn)入蝸殼流道；最后在t0+12Δt時(shí)刻，收縮的空泡在直葉片附近潰滅.轉(zhuǎn)輪內(nèi)空泡從初生至完全潰滅的周期為2倍葉頻，共0.006 796 6 s.

圖7為不同時(shí)刻隔舌附近含氣率為0.1的等值面.對(duì)于蝸殼隔舌附近的空化，從圖中可以看出，在t0時(shí)刻，直葉片位于隔舌附近，隔舌附近的空泡生長(zhǎng)到最大泡徑；從t0+6Δt開(kāi)始，空泡團(tuán)向蝸殼下游游移；在t0+12Δt時(shí)刻空泡團(tuán)脫離，脫離空泡團(tuán)的體積由于壓力增加而減??；游移的空泡團(tuán)在t0+13Δt時(shí)刻與上一個(gè)游移的空泡團(tuán)連接，空泡團(tuán)體積增大；t0+18Δt時(shí)刻，空泡團(tuán)被周?chē)后w壓縮而潰滅.隔舌附近空泡從初生到潰滅的周期約為3倍葉頻，共0.010 194 9 s.

圖7 不同時(shí)刻隔舌附近含氣率為0.1的等值面

圖8為設(shè)置在隔舌附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力p隨步長(zhǎng)N′的變化曲線(xiàn)圖，采用非定常計(jì)算，計(jì)算總時(shí)間為0.203 39 s，每3°計(jì)算1次，每30°保存1個(gè)計(jì)算結(jié)果，交界面坐標(biāo)系變換采用Transient rotor stator，瞬態(tài)時(shí)間項(xiàng)設(shè)為Second order backward euler，同時(shí)內(nèi)循環(huán)計(jì)算最大次數(shù)為10，收斂值10-4.圖中的壓力呈周期性波動(dòng)，可以看出，非定常計(jì)算每20步完成1個(gè)壓力波動(dòng)周期，壓力波動(dòng)頻率為1倍葉頻，與空泡脫落周期相等.隔舌附近的壓力脈動(dòng)導(dǎo)致了擋墻背面和隔舌附近的空泡周期性脫落，而它們的潰滅頻率和潰滅位置點(diǎn)不同.

圖8 隔舌壓力隨步長(zhǎng)的變化關(guān)系

為研究潰滅點(diǎn)位置的影響因素，在蝸殼內(nèi)從隔舌開(kāi)始至出口均布8個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力取平均值，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖9所示.

圖9 蝸殼內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

圖10為蝸殼內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力p變化曲線(xiàn)圖.從圖中可以看出，隔舌至出口壓力迅速增加，但在出口附近略有降低，這可能是出口附近的沖擊導(dǎo)致能量損失.點(diǎn)1至3，壓力緩慢增加，點(diǎn)3至4壓力急劇增加，其中第3點(diǎn)為隔舌空泡的潰滅點(diǎn)，點(diǎn)3和4之間某個(gè)位置是轉(zhuǎn)輪空泡的潰滅點(diǎn)，可以認(rèn)為高壓是空泡潰滅的主要原因.

圖10 蝸殼內(nèi)壓力變化曲線(xiàn)圖

4 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)式水力空化發(fā)生器，并對(duì)其水體域進(jìn)行建模，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)空化形態(tài)變化規(guī)律和空泡演變規(guī)律進(jìn)行研究.通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：

1) 文中提出的旋轉(zhuǎn)式水力空化發(fā)生器既可以生產(chǎn)和利用空化，又可以輸送流體介質(zhì)，能夠兼顧空化性能和流體輸送性能.

2) 降低進(jìn)口壓力、增大流量，空泡團(tuán)從最小斷面開(kāi)始逐漸向出口延伸，含氣率最大值的影響區(qū)域也逐漸擴(kuò)大.

3) 在擋板側(cè)面和隔舌附近都有空化初生；轉(zhuǎn)輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，使得擋板背面和隔舌附近空泡團(tuán)周期性脫落，而蝸殼內(nèi)的高壓環(huán)境則導(dǎo)致了空泡團(tuán)潰滅.