韓桂華 朱宜鵬 洪健 李大尉

摘 要：通過(guò)控制變量法使用Fluent軟件對(duì)內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器進(jìn)行數(shù)值模擬，得到結(jié)構(gòu)參數(shù)（盲孔的孔徑、孔深，單排盲孔個(gè)數(shù)）和操作參數(shù)（轉(zhuǎn)速、入口壓力）對(duì)空化效果的影響規(guī)律：轉(zhuǎn)子盲孔孔徑、孔深、單排盲孔個(gè)數(shù)增加，轉(zhuǎn)速（2000～3000r/min）增加，則盲孔中氣體體積增加；入口壓力（1MPa～4MPa）增加，則盲孔中氣體體積減小。實(shí)驗(yàn)中以純水水樣空化過(guò)程中溫升和電導(dǎo)率的變化為空化效果檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在3000～9000r/min隨著轉(zhuǎn)速的增加，溫升和電導(dǎo)率顯著增加，間接驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果。本文為內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：內(nèi)孔式；旋轉(zhuǎn)空化器；空化器參數(shù)；空化效果；影響規(guī)律

DOI：10.15938/j.jhust.2024.01.005

中圖分類號(hào)： O4274? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2024）01-0044-06

Influence of Endocavitating Rotary Cavitator Parameters on Cavitation Effect

HAN Guihua1， ZHU Yipeng1， HONG Jian1， LI Dawei2

（1School of Mechanical and Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China;2Institute of Advanced Technology of HAS，Harbin 150020， China）

Abstract：In this paper， the numerical simulation of the rotary cavitator with internal bore using Fluent software was carried out by the control variable method， and the influence law of structural parameters （bore diameter and depth of blind bore， number of single row of blind bore） and operating parameters （rotational speed and inlet pressure） on the cavitation effect was obtained： the increase of bore diameter， bore depth and number of single row of blind bore of rotor， and the increase of rotational speed （2000～3000r/min）， the volume of gas in the blind bore If the inlet pressure （1MPa～4MPa） increases， the volume of gas in the blind bores decreases The temperature rise and conductivity changes of the cavitation process of pure water samples were used as the cavitation effect test criteria， and the temperature rise and conductivity increased significantly with the increase of rotational speed from 3000～9000r/min to indirectly verify the results of numerical simulation This paper provides a reference for the optimization of the structural parameters of the endocavitating rotary cavitator

Keywords：internal bore type; rotary cavitation; cavitation parameters; cavitation effect; influence law

0 引 言

水力空化作為一種新型高效處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于降解有機(jī)物、物理改性、強(qiáng)化化合物制備以及殺菌消毒等領(lǐng)域［1-4］。旋轉(zhuǎn)空化器、孔板與文丘里管空化器是當(dāng)今使用最為普遍的水力空化裝置。旋轉(zhuǎn)空化器的優(yōu)勢(shì)在于可以提高空化強(qiáng)度和空化產(chǎn)量，更好的應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)［5］。

文獻(xiàn)研究表明：組合倉(cāng)渦流空化器狹縫寬度小于2mm時(shí)，有小孔的最低壓力明顯小于無(wú)小孔的最低壓力［6］；旋轉(zhuǎn)空化器空化效果隨定子與轉(zhuǎn)子距離的減小而增大［7］；空化器負(fù)壓區(qū)域面積與出液管內(nèi)徑、旋流腔直徑成反比［8］；不同孔結(jié)構(gòu)［9］、齒形對(duì)空泡體積分?jǐn)?shù)［10］、對(duì)空化率［11］有很大的影響?？梢?jiàn)，結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空化器的效果有影響。

而且葉片式旋轉(zhuǎn)空化器入口壓力［12］、盤式空化器入口壓力和轉(zhuǎn)速［13］、內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器轉(zhuǎn)速［14］，對(duì)空化效果有很大影響，袁惠新認(rèn)為1400～9000r/min齒盤式空化區(qū)域面逐步積增大［15］，Xun Sun認(rèn)為筒式旋轉(zhuǎn)空化器轉(zhuǎn)速2700～3300r/min時(shí)大腸桿菌的滅活率增大到百分之百［16］；葛新峰認(rèn)為2000～3000r/min圓盤空化低壓面積增大［17］；王寶娥認(rèn)為葉片式旋轉(zhuǎn)空化器350r/min時(shí)低壓區(qū)域壓力越低［18］?？梢?jiàn)，轉(zhuǎn)速、壓力等操作參數(shù)對(duì)空化器效果有影響。

本文對(duì)內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器的參數(shù)進(jìn)行研究，為其技術(shù)應(yīng)用推廣提供依據(jù)。

1 旋轉(zhuǎn)空化器的結(jié)構(gòu)及數(shù)值模擬

11 旋轉(zhuǎn)空化器的結(jié)構(gòu)

內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器，如圖1所示，由定子與轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子上有均布的盲孔，定子進(jìn)出口直徑為30mm，定子直徑為170mm，轉(zhuǎn)子直徑為150mm。

借鑒前述文獻(xiàn)［6-18］，初步選擇內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器轉(zhuǎn)子盲孔直徑、孔深、單排孔個(gè)數(shù)作為研究對(duì)象，以轉(zhuǎn)速、入口壓力作為操作參數(shù)研究對(duì)象。

12 建立數(shù)值模擬模型

121 多相流模型和湍流模型

在空化過(guò)程中，兩相流中的汽相與液相不斷地進(jìn)行著動(dòng)態(tài)的相互作用。本文選擇多相流模型為Mixture模型，采用雷諾數(shù)平均模擬數(shù)值計(jì)算湍流方法，空化是一種復(fù)雜的多相湍流運(yùn)動(dòng)，在內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器內(nèi)存在較為復(fù)雜劇烈的壓力變化和旋轉(zhuǎn)剪切力。綜合考慮，選擇Realizable的k-ε模型作為數(shù)值模擬的湍流模型。

122 網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

使用ICEM軟件劃分網(wǎng)格后，進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量與角度檢查，一般認(rèn)為網(wǎng)格質(zhì)量和網(wǎng)格角度達(dá)到07和18 以上的網(wǎng)格符合要求，如圖2所示，本文所用網(wǎng)格滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求。

網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)性驗(yàn)證：為了找到合適的網(wǎng)格數(shù)量，通過(guò)改變盲孔的網(wǎng)格數(shù)，獲得了3種網(wǎng)格數(shù)目不同的模型，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，隨著網(wǎng)格數(shù)目的增多，流量和出口速度，誤差逐漸減?。辉诰W(wǎng)格從25萬(wàn)增加到4萬(wàn)時(shí)趨于穩(wěn)定，誤差減小到1％左右。此時(shí)可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果已經(jīng)與網(wǎng)格數(shù)量關(guān)系不大，單個(gè)盲孔25萬(wàn)的網(wǎng)格已經(jīng)能夠達(dá)到網(wǎng)格無(wú)關(guān)，因此選擇單個(gè)盲孔網(wǎng)格數(shù)為25萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

123 邊界條件和計(jì)算方法

1）求解類型選擇基于壓力求解，時(shí)間類型為瞬態(tài)。

2）各相參數(shù)主要流體為水和水蒸氣。

3）進(jìn)口和出口都采用壓力邊界。入口壓力為1MPa，湍流強(qiáng)度設(shè)為2%。

4）步長(zhǎng)設(shè)置：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在1000～3000r/min之間，旋轉(zhuǎn)周期為002～006s，故取步長(zhǎng)為001s。

13 數(shù)值模擬結(jié)果分析

初始參數(shù)設(shè)置為轉(zhuǎn)速2000r/min，入口壓力1MPa，出口壓力為01MPa，孔徑為15mm，孔深20mm，單排孔數(shù)為20，孔排數(shù)為1。

通過(guò)Fluent軟件對(duì)內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器的瞬態(tài)氣相云圖進(jìn)行分析，選擇001s，005s，010s，015s，020s作為分析的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

圖3所示各時(shí)間節(jié)點(diǎn)氣相云圖中，空化都發(fā)生于轉(zhuǎn)子盲孔中，隨數(shù)值模擬的時(shí)間推移，盲孔中的空化發(fā)生區(qū)域面積逐漸擴(kuò)大，并在010s后逐漸趨于穩(wěn)定。因此，采用盲孔內(nèi)氣體體積作為衡量空化效果的標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)態(tài)時(shí)間設(shè)為020s。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空化效果的影響

21 盲孔孔徑

在數(shù)值模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔徑小于10mm時(shí)，空化效果不好觀察，當(dāng)孔徑大于15mm時(shí)相鄰兩孔會(huì)產(chǎn)生干涉。因此，選擇盲孔直徑為10mm、125mm、15mm來(lái)研究盲孔孔徑對(duì)空化效果的影響規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

圖4中氣相體積從大到小依次為：孔徑15mm、徑125mm、孔徑10mm。由圖5中不同孔徑下壓力云圖可知，隨著孔徑的增大，盲孔中的負(fù)壓區(qū)域隨之增大，空化發(fā)生區(qū)域在隨之越容易接近孔口，因此孔徑增大空化區(qū)域增大，氣相體積增大，空化效果增強(qiáng)。

22 盲孔孔深

在數(shù)值模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔深小于5mm時(shí)，幾乎不產(chǎn)生空化，當(dāng)孔深大于20mm時(shí)相鄰兩孔會(huì)產(chǎn)生干涉，因此，選擇盲孔孔深為5mm、10mm、15mm、20mm來(lái)研究盲孔孔深對(duì)空化效果的影響規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。

圖6中氣相體積從大到小依次為：孔深20mm、孔深15mm、孔深10mm、孔深5mm，說(shuō)明隨著孔深的增大，空化效果越好。這是因?yàn)榭咨钤酱?，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)離心力作用區(qū)域越大，空化區(qū)域越大。

23 單排盲孔個(gè)數(shù)

為了更清晰的對(duì)比，選取盲孔單排孔數(shù)為2、10、20來(lái)研究其對(duì)內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器空化效果的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7中氣相體積從大到小依次為：?jiǎn)闻趴讛?shù)20、單排孔數(shù)10、單排孔數(shù)2，說(shuō)明隨著單排孔數(shù)的增多，可產(chǎn)生空化的區(qū)域增大，空化效果增大。

3 操作參數(shù)對(duì)空化效果的影響

通過(guò)控制變量法，對(duì)轉(zhuǎn)速和入口壓力進(jìn)行數(shù)值模擬，以氣體體積大小為標(biāo)準(zhǔn)，分析其對(duì)內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器空化效果的影響規(guī)律。

31 轉(zhuǎn)速

在初始參數(shù)不變的情況下，改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

在數(shù)值模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速小于2000r/min時(shí)空化區(qū)域幾乎不產(chǎn)生空化，而當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)3000r/min時(shí)空化區(qū)域面積增加不明顯，因此選用2000r/min、2500r/min、3000r/min來(lái)進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖8所示。

圖8中氣相體積從大到小依次為：轉(zhuǎn)速3000r/min、轉(zhuǎn)速2500r/min、轉(zhuǎn)速2000r/min，說(shuō)明在限定范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力就越大，使得達(dá)到飽和蒸汽壓的區(qū)域增大，空化效果越好。

3.2 入口壓力

在初始參數(shù)不變的情況下，改變?nèi)肟趬毫Α?/p>

當(dāng)入口壓力小于1MPa時(shí)空化區(qū)域面積變化不明顯，而當(dāng)入口壓力超過(guò)4MPa時(shí)幾乎不產(chǎn)生空化，因此研究入口壓力分別為1MPa、2MPa、3MPa、4MPa時(shí)，其對(duì)內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器空化效果的影響，如圖9所示。

圖9中氣相體積從大到小對(duì)應(yīng)的壓差依次為：1MPa、2MPa、3MPa、4MPa，說(shuō)明在限定范圍內(nèi)空化效果隨著入口壓力的增大而減小。因?yàn)槿肟趬毫υ龃?，使得整個(gè)旋轉(zhuǎn)空化器內(nèi)部壓力升高，而離心力以及轉(zhuǎn)子定子間的剪切力所導(dǎo)致的壓降是一定的，導(dǎo)致達(dá)到飽和蒸氣壓區(qū)域減小。

4 內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器的轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)

前述研究驗(yàn)證了純水溶液的溫升及電導(dǎo)率隨著空化強(qiáng)度的增大而增加［19-21］。本文在實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速下的內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器溫升和電導(dǎo)率變化實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)原理及裝置如圖10所示，實(shí)驗(yàn)采用變頻調(diào)速原理控制電機(jī)及空化器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)檢測(cè)水樣的溫度，得到轉(zhuǎn)速與溫升的關(guān)系；水樣冷卻到室溫后檢測(cè)電導(dǎo)率的變化，消除溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響。

電動(dòng)機(jī)的初始轉(zhuǎn)速為2000r/min；實(shí)驗(yàn)水樣初始值為溫度：166℃；電導(dǎo)率為122μS/cm。

41 轉(zhuǎn)速-溫升實(shí)驗(yàn)

不同轉(zhuǎn)速下水樣溫升數(shù)據(jù)如圖11所示。

由圖11可得：

1）隨著轉(zhuǎn)速增加，水樣的溫升顯著增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在空化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的1～5 min，水樣的溫升與空化器轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。

2）同轉(zhuǎn)速下，水樣溫升隨著時(shí)間增加而增大。

42 轉(zhuǎn)速-電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)

不同轉(zhuǎn)速的空化實(shí)驗(yàn)得到的水樣電導(dǎo)率如圖12所示。

由圖12可得：

1）隨著轉(zhuǎn)速增加，水樣的電導(dǎo)率增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，電導(dǎo)率的增值與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，即空化器的空化效果隨轉(zhuǎn)速增加而增加。

2）同轉(zhuǎn)速下，水樣電導(dǎo)率隨著時(shí)間增加而增大。

轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論與數(shù)值模擬轉(zhuǎn)速部分所得結(jié)論一致，即在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速增加，空化器空化效果越好，通過(guò)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器各參數(shù)間的影響關(guān)系，需要實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法，探究了結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)對(duì)內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器空化效果的影響，并進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)速下電導(dǎo)率和溫升表征下的空化實(shí)驗(yàn)輔以驗(yàn)證。所得結(jié)論如下：

1）數(shù)值模擬中，在一定參數(shù)范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)子盲孔孔徑、孔深增大，轉(zhuǎn)子上單排盲孔個(gè)數(shù)增加，孔內(nèi)氣相體積增加，空化效果增強(qiáng)。

2）數(shù)值模擬中，在轉(zhuǎn)速2000～3000r/min范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速增大，入口壓力1MPa～4MPa壓力減小，轉(zhuǎn)子盲孔孔內(nèi)氣相體積增加，空化效果增強(qiáng)。

3）空化實(shí)驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速范圍（3000～9000r/min）內(nèi)，轉(zhuǎn)速增加，水樣溫升增大，水樣電導(dǎo)率增大，驗(yàn)證了數(shù)值模擬中所得轉(zhuǎn)速增加，空化效果增強(qiáng)的結(jié)論。

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（編輯：溫澤宇）

基金項(xiàng)目： 黑龍江省自然科學(xué)基金（E2016）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51375123）；黑龍江省科學(xué)院科學(xué)研究基金（KY2020GJS03） ；黑龍江省省屬科研院所科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（SJKYYWFC2021GY02 ，ZNBZ2022GJS03）

作者簡(jiǎn)介：朱宜鵬（1997—），男，碩士研究生；

洪 ?。?996—），男，碩士

通信作者：韓桂華（1972—），女，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，E-mail：1269107634@qqcom