文丘里管汽蝕實驗研究

唐 虎，畢勤成

（1西安航天動力研究所，陜西西安710100；2西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西西安710049）

0 引言

19世紀后半葉，隨著蒸汽輪機的應用，在動力系統中逐漸出現了“汽蝕”（也稱為空化）現象。隨著科技的進步，涉及汽蝕現象的領域愈來愈多，許多研究者對此進行了廣泛的研究。到目前為止，有關汽蝕研究最多的裝置之一是文丘里管。研究主要包括實驗研究、數值模擬（有的包含實驗研究）、應用研究等。

1）實驗研究

有的對不同結構文丘里管進行實驗研究，Sayyaadi等對串聯汽蝕文丘里管反應器與傳統的單文丘里管反應器進行了實驗比較[1]。Fasih等對3種不同結構尺寸的文丘里管空化進行了實驗比較，結果顯示如果文丘里管出口壓力與入口壓力之比小于0.8，則流量恒定且與下游壓力無關；當該值超過0.8時，文丘里管就等同于節流孔板[2]。

有的對特定流體介質進行實驗研究，Ardiansyah等對鈉在文丘里管內流動時的空化和空蝕特性進行了實驗研究，實驗表明不同的滯止壓力和溫度，開始的空化數都基本是一致的，但在空蝕實驗中，空化數在0.59到0.51間發生變化[3]。

隨著技術發展，對文丘里管的實驗研究也越來越深入。Vabre等利用同步加速器X射線成像進行了文丘里管結構汽蝕流動研究，該技術能以數千赫茲的頻率同時測量液態相和氣態相的速度場[4]；Coutier-Delgosha等采用超快X射線成像技術進行了文丘里管空化流的速度場測[5]。Sayyaadi等還對文丘里管反應器進行了空化不穩定性研究，采用高速攝像機觀察到了文丘里管空化流的波動過程，采用示波器記錄了波動的頻率，實驗發現空化數是波動特性的主要影響因素[6]。

2）數值模擬

文丘里管汽蝕仿真研究主要是隨著計算流體力學的發展而發展的。但數值計算的湍流模型及汽蝕模型還不能完全準確的描述實際的流動狀態，采用不同的模型時計算的結果會存在差別，流動狀態不一致時，有的模型計算結果與實際較為吻合，有的差別明顯。因此，通常的計算都需要用實驗進行驗證。另外，影響汽蝕的因素眾多，數值模擬的側重點也多不一致。為了驗證模擬的正確性，許多數值模擬都先采用實驗數據進行了檢驗。

有的重點對不同介質進行數值模擬。到目前為止，絕大部分的數值模擬都是采用水為介質，少數采用別的介質。Ardiansyah等對鈉和水的汽蝕特性進行了數值模擬比較，結果顯示在相同的空化數和不凝性氣體含量情況下，水和鈉中的空泡分布沒有大的差別[7]；浙江大學的張小斌等考慮汽蝕過程熱效應并假設氣相與液相間熱平衡，利用計算流體力學方法對液氧文丘里管的汽蝕特性進行了分析[8]；史剛和梁國柱，針對N2O的特點，對3種不同工況下文氏管的汽蝕流場分別考慮汽化熱和不考慮汽化熱進行了仿真，并對2種計算結果進行了對比分析[9]。

有的重點對不同的模型進行數值模擬，Dittakavi等采用大渦模型模擬了文丘里管里湍流-汽蝕的相互作用[10-11]；De Giorgi等采用不同的模型對液體火箭發動機低溫流體在文丘里管的汽蝕進行計算比較，其中全汽蝕模型受到了更多關注[12]；Goncalves Eric等對空化流的不同數值求解器進行了計算比較，結果認為可壓縮性很有必要[13]；譚建國、劉景華和王振國通過綜合采用數值計算、實驗驗證、系統辨識的方法，建立了一種適用于系統仿真的四階文丘里管動態模型，計算表明：即使在汽蝕狀態下，文丘里管也可能出現3.3%的流量波動[14]。

有的重點對不同的文丘里管結構參數進行數值模擬，Bashir等基于CFD對狹縫文丘里管不同結構參數下的空化進行了模擬，得到了當喉部長度與高度相等且擴張半角為5.5°時達到最佳空化[15]。

有的重點對汽蝕不穩定性進行模擬，Goncalvs Eric等對文丘里管汽蝕流動的不穩定性進行數值模擬，并與實驗數據進行了對比，結果表明湍流模型有著重要的影響[16]。

3）應用研究

文丘里管發生汽蝕時，在入口條件保持不變的情況下，流量基本保持恒定，因此，可以用作流量測量裝置。在文丘里管下游，汽泡在較高壓力作用下會發生潰滅，潰滅將產生一些特殊的效應，利用這些特殊效應，可以用于污水處理等方面。為此，有的學者進行了相關的研究工作。

Kim H J等研究了文丘里管進行污水預處理來增加生物降解的性能，研究得出文丘里管出口角度為12°時性能較高[17]；Saharan等采用水力空化進行活性紅色120染料的降解研究，結果發現紅色120染料的降解與溶液的PH值有關，在酸性溶液中可以獲得更高的降解率，H2O2的添加可以強化降解率[18]；Sainte Beuve等采用水力空化進行菜籽油的酶水解實驗，實驗中文丘里管入口壓力增加8 bar時，多脂肪酸的產量最多也只能達到60%，而采用簡單的攪拌爐反應器可以達到90%或者更多，這說明空化在某些方面抑制了反應，對水解不是很有效[19]；有的學者還進行了有添加劑的情況下采用水力空化強化羅丹明B降解的研究[20]；有的對降解orange-G的水力空化裝置的結構影響進行了研究[21]。

目前已有一些學者對文丘里管汽蝕進行了研究，但影響汽蝕的因素很多，有流動邊界形狀、絕對壓力和流速等，此外，水流粘性、表面張力、汽化特性、水中雜質、邊壁表面條件和所受的壓力梯度等也有一定影響。本文對特定結構形式的文丘里管進行了汽蝕研究。

1 實驗狀態

1.1 實驗系統

根據設計參數對4種文丘里管各加工了一件，結構形式一樣，有入口直線段、收縮段、喉部直線段、擴張段、出口直線段。不同的是喉部直徑，分別為3.0 mm,2.5 mm,2.0 mm和1.5 mm，編為1#,2#,3#和4#，其中4#文丘里管見圖1。

圖1 4#文丘里管Fig.1 Venturi 4#

本文進行的實驗系統見圖2。該實驗系統主要由水箱1，柱塞泵2，閥門3和4，流量計5，電加熱器6，文丘里管7，壓力傳感器8和溫度傳感器9組成。

圖2 實驗系統Fig.2 Experimental system

1.2 實驗內容

本實驗主要依據設計參數進行，包括常溫實驗和加溫實驗。

常溫實驗中，文丘里管出口通過管路直接回流至水箱，可以認為出口壓力為大氣壓，對1#～4#文丘里管在實驗環境溫度下（13℃）進行不同入口壓力下的實驗，測量入口壓力、溫度、流量，并對實驗段進行高速攝影。

加溫實驗中，出口通過管路直接回流至水箱，可以認為出口壓力為大氣壓，采用4#文丘里管進行水加溫后實驗，實驗時調整目標水溫分別為23℃，33℃和43℃，在各個溫度下進行0.2 MPa，0.5 MPa和0.9 MPa入口壓力實驗。

2 實驗結果分析

2.1 入口壓力與流量系數關系

由文丘里管流量計算公式可以反算流量系數，計算公式為：

式中：Cd為流量系數；qm為質量流量；At為文丘里管喉部面積；ρ為水的密度；pi為文丘里管入口壓力；psat為水的飽和蒸汽壓。

根據實驗數據可以得出環境溫度下1#～4#文丘里管不同入口壓力下流量系數 (見圖3)。

圖3 不同入口壓力下的流量系數Fig.3 Flow coefficient at different inlet pressure

從圖3可以看出，對4種不同結構尺寸的文丘里管，隨著實驗入口壓力的增加，流量系數呈減小的趨勢，分析認為，入口壓力增加時，雖然在收縮段的阻力增加，但流經文丘里管喉部時的速度也增加，收縮效應更為明顯，等效流通面積減小，這引起流量系數略有減小。

2.2 介質溫度與流量系數的關系

4#文丘里管在13℃，23℃，33℃和43℃下的流量系數與入口壓力關系見圖4。

圖4 不同溫度下流量系數與入口壓力關系Fig.4 Relation between flow coefficient and inlet pressure at different temperature

由圖4可以看出，隨著水溫的增加，在相同入口壓力下，文丘里管的流量系數出現減小。分析認為：隨著水溫的增加，水的密度減小；而在相同入口壓力條件下，由能量轉換可知，密度越小，在喉部的速度越大，這樣喉部的收縮效應越明顯，相應于等效流通面積減小，流量系數降低。另一方面，水溫增加時，水的飽和蒸汽壓也增加，這又會引起流量系數增加。從實驗數據看出，當水溫在33℃內時，兩者的影響相當，流量系數變化不大，當水溫達到43℃時，密度的影響大于飽和蒸汽壓的影響。這引起流量系數明顯小于33℃內的流量系數。

2.3 汽蝕區與入口壓力關系

由于汽蝕時，汽蝕區是大量氣泡產生、發展、潰滅在某一時刻的綜合表現，其過程極其復雜，影響因素繁多，目前只能進行定性的分析。從實驗情況看，保持入口壓力、入口溫度、出口壓力等均不變的情況下，汽蝕區均發生較為明顯的周期性變化，時長時短。為了進行比較，這里對汽蝕區最長時進行比較。

1#文丘里管不同入口壓力下汽蝕區見圖5。

圖5 汽蝕區(1#文丘里管)Fig.5 Cavitation area(Venturi 1#)

從圖5可以看出，出口壓力、結構參數等一定時，入口壓力越高，流量越大，汽蝕產生汽泡的速度也越快，同時在文丘里管相同位置的速度越大，在氣泡相同的存在時間內，其運動的距離更遠，這樣汽蝕區長度明顯增加。

2.4 汽蝕區與喉部直徑關系

4種文丘里管均進行了0.2 MPa，0.3 MPa和0.5 MPa入口壓力下的汽蝕實驗，由于入口壓力越高，汽蝕越明顯，為了比較更為清晰，以0.5 MPa入口壓力下4種文丘里管汽蝕區進行比較（見圖6）。

圖6 汽蝕區(入口壓力0.5 MPa)Fig.6 Cavitation area(0.5 MPa inlet pressure)

從圖6可以看出，在入口、出口壓力相同的情況下，喉部流通面積越大，流量越大，汽泡產生的速度越大，氣泡量增加，形成的汽蝕區長度越長。

2.5 汽蝕區與溫度關系

在實驗后期對4#文丘里管進行了加溫實驗，加溫后溫度分別為23℃，33℃和43℃，對0.2 MPa，0.5 MPa和0.9 MPa入口壓力下進行了實驗，其中0.9 MPa入口壓力時4#文丘里管在不同溫度下的汽蝕區比較見圖7。

圖7 4#文丘里管汽蝕區(入口壓力0.9 MPa)Fig.7 Cavitation area of Venturi 4#(0.9 MPa inlet pressure)

從圖7可以看出，4種不同溫度下汽蝕區長度差別不明顯，分析認為與溫度相差不大及入口壓力/出口壓力較大引起的汽蝕區較長有關。

從圖7還可看出，水的溫度越高，汽蝕區的汽泡越分散，分析認為，溫度越高，水的粘性降低，徑向運動的約束減小，徑向速度脈動增加。

2.6 汽蝕區穩定性

實驗中發現文丘里管汽蝕時汽蝕區很不穩定，采用同一個文丘里管，并且入口壓力、入口溫度一定，出口直接接入水箱的情況下，文丘里管的汽蝕區發生周期性的變化。同一文丘里管在相同入口、出口壓力下，不同時刻的汽蝕區差別很明顯，汽蝕程度差別較大，說明汽蝕是很不穩定的。分析認為：由于不同汽泡產生、發展、潰滅的過程不一致，汽蝕區是大量汽泡產生、發展、潰滅的綜合反映；當文丘里管入口條件出現不穩定時，汽蝕產生的汽泡量就會發生變化。實驗過程中，采用的是泵提供壓力，其出口壓力、流量存在一定波動，這引起汽蝕程度發生變化，進而導致汽蝕區長度變化。

4#文丘里管0.5 MPa入口壓力下的汽蝕區變化見圖8。

圖8 汽蝕區比較Fig.8 Comparison of cavitation areas

從圖8可以看出，計算的汽蝕區與實驗中拍攝的較長汽蝕區基本一致。在實驗中汽蝕區不穩定，時長時短，呈現周期性變化。對單個汽泡而言，其生成、發展、潰滅過程不一致，有一定的隨機性，大量氣泡的運動形成汽蝕區，因此具有一定的統計性。實驗中時長時短，分析認為與入口的流態不穩定有關，入口壓力、溫度雖然波動幅度不大，但這種波動對汽蝕會有影響；而計算中，設定入口邊界條件后，入口一直保持該邊界條件，這樣，汽蝕區就基本沒有波動。

3 結論

對文丘里管的實驗研究獲得如下結論：

1）隨著入口壓力的提高，文丘里管的流量系數呈緩慢下降趨勢。

2）對同一文丘里管，采用相同的流體介質在相同的入口壓力下，當溫度超過某一值時，流量系數出現明顯減小。

3）在相同入口、出口壓力下，喉部直徑越大，汽蝕形成的汽蝕區越明顯。對同一文丘里管，入口壓力越大，汽蝕區也越明顯。

4）對流體進行加溫時，在一定溫度范圍內，汽蝕沒有明顯變化，說明溫度對水的汽蝕影響不是很大。實驗發現文丘里管形成的汽蝕區不穩定，時長時短，呈現周期性變化。

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