錐角對錐形空化器空化性能影響的研究

趙孟石，王 悅,2，裴 禹，李大尉，姚鴻賓，姚立明，丁 銳

(1.黑龍江省科學院高技術研究院,哈爾濱 150020； 2.哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001)

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錐角對錐形空化器空化性能影響的研究

趙孟石1，王 悅1,2，裴 禹1，李大尉1，姚鴻賓1，姚立明1，丁 銳1

(1.黑龍江省科學院高技術研究院,哈爾濱 150020； 2.哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001)

圓錐型水下空化器由于其優異的空化性能而得到廣泛應用，然而，錐角大小對其空化性能的影響卻鮮有研究，本文旨在闡釋錐角對空化性能的影響大小。選取錐角分別為60°、90°、120°的空化器，在來流速度為60 m/s時條件下，通過數值模擬的方法研究了其壓力場分布以及繞流鈍體前后流場的水蒸氣體積分數分布。結果表明:隨著錐角的增加，空化區域具有先增加、后減小的趨勢，表明存在一個最佳的錐角值。

水下空化器；數值模擬；水蒸氣體積分數；錐角；空化性能

空化現象自從首次發現于英國一艘驅逐艦的螺旋槳上，就通常和負面效應聯系在一起，例如:在流體機械中，空化現象的出現會帶來噪聲、振動和過流部件的空蝕破壞等負面影響[1]。然而，隨著近年來對空化現象研究的不斷深入，許多利用空化的技術被應用到工程實際當中，如:利用空化射流清洗物面(除污、除銹、除船體海洋生物)，利用空化殺滅水中浮游生物，利用空化射流分散海面溢油等[2-3]。空化是液體中的壓強下降到某一臨界值后，液體內部原來含有的微小氣泡(通稱氣核)在液體中迅速膨脹，形成含有水蒸氣或其他氣體的明顯氣泡的過程。空化現象可以在很多液體流動中發生，包括流體機械、水下航行體，等等[4]。

圓錐型水下空化器由于其優異的空化性能而得到廣泛應用，然而，錐角大小對其空化性能的影響卻鮮有研究。本文旨在闡釋錐角對空化性能的影響大小，選取錐角分別為60°、90°、120°的空化器，在來流速度為60 m/s時通過數值模擬的方法研究其壓力場分布，繞流鈍體前后水蒸氣體積分數分布。分析結果表明:錐角對壓力場的影響較大，對空化區大小影響較小。本文結構如下:第1節中介紹了空化器的工作原理、物理結構以及數值求解時網格劃分方法。第2節中分析了空化器在不同來流速度下的空化性能。第3節中進一步總結了模擬結果。

1 求解域的網格劃分及數值計算方法

圖1是本文所研究物理模型的網格劃分(由于不同錐角網格劃分方法類似，這里只給出了120°錐角時的網格劃分情況)。空化器的工作原理為:在管道中鑲入不同幾何形狀的鈍體(本文為120°錐體)，空化器的左側通入高速流體。當高速流體繞流鈍體時，將在鈍體后面形成空化區，空化區產生的小空泡射流潰滅而創造高溫、高壓、微射流條件，達到空化的目的，因此，空化區越大，則空化性能越好。影響錐形空化器空化性能的主要因素是來流速度以及錐角大小。在此前的研究中研究了流速對錐形空化器的性能影響，本文主要研究錐角對空化器空化性能的影響。采用結構化網格對計算區域進行劃分。由于采用了非平衡壁面函數對近壁面區域進行處理，因此在劃分網格時不需要在壁面區加密，只需要把第一個內節點布置在對數律成立的區域內，即配置到湍流充分發展的區域。

圖1 圓錐型空泡清洗器空化流動問題計算域、網格和邊界條件Fig.1 Cone-type airfoil cleaner cavitation flow problem in calculation domain, grid and boundary conditions

數值計算在商業軟件Fluent上實施，相關設置如下:A.收斂判斷準則。計算域進出口質量流量近似相等，其差值不超過0.01%；監測的各殘差值隨著迭代次數的增加降到規定的數值以下；監測的水蒸氣體積分數面積加權平均值最終維持在一個定值不變。B.流體物性參數設定。液態水物性參數設定:密度為998.2 kg/m3，動力黏度為0.001 003 Pa·s。氣態水物性參數設定:密度為0.025 58 kg/m3，動力黏度為1.26×10-6Pa·s。C.模型選擇。多相流模型采用混合模型。空化模型采用Schnerr-Sauer模型，氣泡數密度設定為默認值1×1013，飽和蒸汽壓為103 540 Pa。湍流模型選擇Realizablek-ε模型，采用非平衡壁面函數處理近壁區域。D.數值計算方法選擇。采用PISO算法對代數方程進行離散求解的具體實施方案為:壓力采用PRESTO格式；動量方程、k方程、ε方程均采用二階迎風格式；體積分數方程采用一階迎風格式。E.邊界條件設定。入口采用60 m/s的速度進口條件，出口為壓力出口邊界條件，壓力大小設定為2個大氣壓。計算域壁面和空泡清洗器面均設為無滑移壁面。具體設置如圖1所示。

2 計算結果分析

從圖2中可見，隨著錐形空化器中水流噴射速度的增加，鈍體繞流后壓力場增大，注意到來流速度相同，則在小角度下錐形空化器更容易在鈍體之后形成空化區。同時，在鈍體和管壁之間的喉部區域，流速增加，壓力驟降。隨著錐角的增加，在喉部區域壓力梯度變化逐漸減小。壓力的減小符合伯努利方程。在鈍體前方，高壓區分布較為均勻，在鈍體后方，低壓區分布也比較均勻。流體壓力在通過喉部時迅速驟降至低壓，在此區域內空化初生的可能性較大。壓力場的計算結果表明，小錐角更容易在鈍體繞流的后方形成低壓區，這是因為錐角斜面的導流作用所致。而錐角較大時，來流撞擊錐面，會產生一定程度的回流，減小了喉部的速度，因而繞流后壓力較大。總之，從壓力場的結果來看，小錐角更傾向于產生空化。

圖2 v=60 m/s流速下錐形空化器分別在60°、90°、120°(a,b,c)錐角下的壓力場分布Fig.2 Distribution of pressure field of conical cavitator at 60°, 90°, 120° (a, b, c) respectively, at v=60 m/s

圖3給出了不同水流噴射速度下錐形空化器內水蒸氣的體積分布。水蒸氣的體積分數定量衡量空化性能，當水蒸氣的體積分數接近1時，表明此時流動區域為氣相流動，為空化區。從圖3中可以發現，在來流速度為60 m/s的條件下，三種不同錐角的錐形鈍體后都產生了空化區，空化氣泡呈梯形結構，空泡的底端整個附著在錐體地面，隨著流動的發展，空泡橫截面減小。三種工況下空泡頂端具有凹陷結構，表明此處空泡最先從該區域開始潰滅，而隨著錐角的增加，此凹陷區域具有先減小，后增加的趨勢。從空泡的大小可以看出，隨著錐角的增加，空泡先增加后減小。由于空化是壓力和速度共同作用的結果，因而可以得出，雖然繞流后壓力隨錐角增加而增加，但其空化效率并非一直減小。空泡邊緣屬于氣液兩相流，此區域中存在微小氣泡，在射流至物體表面時，氣泡潰滅，同樣具有一定的空蝕作用。上述計算結果表明:對錐形空化器而言，錐角太大或太小均不適于空化性能的提高。

圖3 v=60 m/s流速下錐形空化器分別在60°、90°、120°(a,b,c)錐角下的水蒸氣體積分數分布Fig.3 Cone angle of the water vapor volume fraction distribution of the cone-shaped cavitator at 60°, 90°, 120° (a, b, c) underflow rate at v=60 m/s

3 結語

為了闡釋錐形空化器錐角大小對空化性能的影響，本文在60 m/s的流速下，對繞流錐角為60°、90°、120°鈍體空化器的壓力場及水蒸氣體積分數場進行分析。計算結果表明:隨著錐角的增加，鈍體后的流場壓力增加，但空化區域呈現先增加，后減小的趨勢。空泡在90°左右具有極大值。此外，錐角對空化性能的影響主要體現在繞流后壓力場的變化。存在一個最佳錐角，在此錐角下，空泡體積最大。

[1] 黃繼湯.空化與空蝕的原理及應用[M].北京:清華大學出版社，1991.

[2] 陳利軍，吳純德，張捷鑫.水力空化技術在飲用水消毒中的應用[J].水處理技術，2007，33(03): 45-48.

[3] 張曉東，李志義，等.水力空化對化學反應的強化效應[J].化學工程，2005，(56): 262-265.

[4] 尤國榮.環隙型水力空化器對過程強化性能的研究[D].大連:大連理工大學，2010.

Study on the effect of taper angle on cavitation performance of conical cavitation cleaner

ZHAO Meng-shi1, WANG Yue1,2, PEI Yu1, LI Da-wei1, YAO Hong-bin1, YAO Li-ming1, DING Rui1

(1.Health Research Institute, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150020, China;2. Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The conical underwater vacuolar cleaner is widely used because of its excellent cavitation performance. However, the effect of cone angle on its cavitation performance is rarely studied. The purpose of this paper is to explain the effect of cone angle on cavitation performance. We selected the cavitators with taper angles of 60 degrees, 90 degrees and 120 degrees respectively. At the flow velocity of 60 m/s, the pressure field distribution at the flow front and back flow were studied by numerical simulation. The volume fraction of water vapor in the field. The results show that with the increase of taper angle, the cavitation region has the tendency of increasing first and then decreasing, indicating that there is an optimal cone angle.

Underwater airfoil cleaner; Numerical simulation; Water vapor volume fraction; Taper angle; Cavitation performance

2017-03-17

趙孟石(1987-)，男，碩士，助理研究員。

TH311

A

1674-8646(2017)10-0038-03