基于復合結構的兩級空化發生器設計優化及數值模擬

楊興林，石園園，閆利坤，程 林，李自強

(江蘇科技大學能源與動力學院，江蘇 鎮江 212000)

0 引 言

水力空化現象是指液體內局部壓力降低時，液體內部或液固交界面上蒸汽或氣體。空泡的形成、發展和潰滅的過程[1–2]。利用空泡潰滅時釋放的大量能量，水力空化可以應用在廢水處理、強化工業過程及空化水射流等領域。同時在螺旋槳空化噪聲，超空泡減阻技術的研究目前也很多[3–4]。空化發生器原理是當水流流過收縮裝置時，過流斷面急劇變化，水流被增速降壓，當壓強降到水的氣化壓強下時發生空化[5]。空化效果的強弱影響空化發生器的效率，確定出最優化的復合空化器的結構參數來強化空化的效果，設計出高效率的空化發生器裝置對生產應用具有重要的意義。

目前，國內外很多學者都對水力空化裝置進行了探討研究。例如：王智勇等[6]針對不同壓力、不同喉部直徑和擴散段長度對文丘里管內部空化現象的影響進行數值模擬；章昱等采用標準k－ω 模型對孔板的水力空化裝置進行數值模擬，探討空化效應強度的影響因素問題；曾章美等[9]對孔板位置一定時，不同的文丘里管喉部的組合情況進行數值模擬，得出急型的復合結構的空化器空化效果更強。但這些研究一般集中于組合空化發生器中的文丘里管結構的研究，其空化效果還有待于提高。

本文結合文丘里管和孔板各自的優點，設計了一種把孔板嵌套在文丘里管喉部位置組成復合結構的兩級空化發生器，在管內流量和過流截面積一定時，通過用多個小管徑的孔道代替大直徑的單文丘里管管道，分別在孔板孔道和文丘里管漸擴段發生2 次空化過程，兩級空化發生器中液流經過了2 次加速，從而能夠產生更多的空化泡，空化泡不斷地產生和潰滅，大大提高了空化效應，以此來提高空化發生器整體的空化效果。兩級空化發生器的空化面積和空化維持時間都要更長，從整體上來看，更有利于長時間的作業和強化。且此設計是一體式復合結構空化發生器，制造成本低，結構緊湊，更易運輸和節省材料。且本文在所設計的復合空化發生器形式的基礎上，分別針對3 組孔不同排布方式孔板與文丘里管喉部進行復合的裝置，利用Fluent 軟件分別對3 種空化發生器的氣液兩相流場進行數值計算，對比分析不同形式流場的空化效果，以獲得相對較高效率的兩級空化發生器結構的優化設計，此數值模擬的結果可為研究多級空化發生器結構設計提供參考信息。

1 數值理論計算

本文裝置中的液流視為不可壓縮的穩定流動，利用Fluent 軟件采用標準K-ε 湍流模型和混合模型（misture mordel），壓力梯度采用Standard 格式離散，動量方程和湍流輸運方程采用絕對穩定的一階迎風格式，壓力速度耦合采用Simple 方式，在低壓區引入空化模型的混合多項流模式對流場進行計算。

1.1 湍流模型

本文計算中，空化發生器中的水流為不可壓縮的穩定流動，湍流模型選擇應用較廣泛的k-ε 兩方程模型。標準k-ε 模型基于Wilcoxk-ε，在加入Reynolds 數以及各種流體特性的條件下改善得到的，所以本文求解采用標準k-ε 模型。標準k-ε 模型的連續性方程為：

動量方程為：

式中：ρ 為流體密度；μ 為時均速度；p 為流體壓力；η 為流體動力粘度，為紊流應力。

湍流動能方程為：

式中：Gb為由浮力產生的湍動能；YM為可壓縮湍流中階梯的散布所生成的波動；Gk為由層流的速率差生成的湍動能。

湍流耗散方程為：

式 中：C1ε，C2ε，C3ε為 常 數；σk，σε為 兩 方 程 的Prandtll 數。

1.2 空化模型

考慮到本文研究的對象和體系，綜合分析選擇Schnerr and Sauer 空化模型。其空化模型表達式為：

2 計算模型及參數

2.1 數學模型

圖1 為設計的復合兩級空化發生器結構示意圖。圖中，入口和出口直徑D1=20 mm，孔板直徑D2=5 mm，孔板小孔直徑d=1 mm，漸縮段長度L1=24 mm，孔板長度L2=10 mm，漸擴段長度L3=63 mm，入口錐角α1為40°，出口錐角α2為18°。圖2為設計的3 種不同的孔板孔的排布方式，分別為a 環狀排布、b 直線排布、c 中心孔輻射狀排布。

2.2 網格劃分及邊界條件

圖 1 復合結構空化發生器結構示意圖Fig. 1 Schematic diagram of composite structure cavitation generator

圖 2 孔板孔的排布方式Fig. 2 Arrangement of orifice holes

圖 3 空化發生器的網格示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the cavitation generators

本文利用CFD 對三維模型進行網格劃分，如圖3所示。采用非結構性網格進行計算，對孔板孔道部分進行加密處理，通過網格檢查，確保網格質量滿足要求。本文選取25 ℃水和25 ℃的水蒸氣為對象進行數值模擬，設置進口條件為速度等于0.5 m/s，出口條件為壓力0 Pa，無滑移標準壁面函數邊界條件。水的密度為998 kg/m3，表面張力為0.717 N/m，設定不可壓縮相為水。

3 計算結果及分析

通過使用Fluent 軟件對流場進行數值計算，使用Tecplot 軟件進行后處理。

3.1 速度分布

圖4 為3 種不同復合結構空化發生器的速度分布云圖。由圖可知，3 種空化發生器的速率都是先增大，在孔板孔口處速率達到最大。由于流體慣性，通過孔板孔道后流體依然具有較高的流速，從而形成射流，整個過程表現為速度分布由中心軸線向管壁轉移的過程。而在文丘里管漸擴段的錐角影響下，水流的流動區域變大，使水的流動速率逐漸變小，在管道表面周圍水流受到摩擦力作用流體流速開始逐漸降低。不同的孔板排布對空化發生器的速度場分布有顯著的影響。3 種裝置的核心區的平均速度是c＞a＞b，這是由于中心孔輻射狀排布的空化發生器c 有中心孔，總體的速度更容易疊加，使流體受到的阻力較小，從而可以將更多地能量轉化為空化效應的勢能，所以核心區的速度相對最高，徑向范圍的速度場也最大；而復合結構空化發生器b 和發生器c 相比沒有中心孔，所以整體的速度場分布范圍和整體核心區的平均速度相對于c 范圍略微減小；直線分布的空化發生器b 由于沿直線均勻分布，孔間隔較大，水流在流出孔道后的射流不集中，相對于其他兩種裝置核心區的水流速度相對較小。軸向方向速度矢量存在負值，說明有回流區，這是因為高速水流在文丘里管壁面阻擋所致。

圖 4 空化發生器的速度云圖Fig. 4 Cavitation generator speed cloud

3.2 湍動能分布

圖5 為3 種復合結構空化發生器的湍動能云圖分布。從圖中可以觀察到，水流在進入孔板孔道前的流場湍動能很小，在流進孔道后迅速增大后又減小，在文丘里管漸擴段部分，湍動能再次增大。空化產生期間空泡的生成和破滅導致了流場的振蕩，湍動能也同時進一步改變，在此過程中湍動能有2 次幅值的變化，即發生了2 次空化過程。由圖可知，不同的孔板排布方式對空化發生器的整體湍動能散布有顯著的影響，其中空化發生器c 的湍動能相對于其他2 種空化發生的散布區域更廣和湍動能更強。這和前面的速度場分布有類似的規律。

3.3 汽含率分布云圖和散點圖

圖 5 空化發生器的湍動能云圖Fig. 5 The kinetic energy cloud diagram of the cavitation generator

圖 6 空化發生器的汽含率云圖Fig. 6 Cavitation rate of the cavitation generator

圖6 和圖7 分別為3 種空化發生器的汽含率云圖和分布散點圖。可以清晰地看出汽含率的分布情況，其中圖7 的橫坐標是沿管軸的距離，孔板位于28～38 mm 范圍內。可知，3 種兩級復合空化發生器的汽含率分布形狀基本相似，3 種復合結構空化器在Y 軸坐標上汽含率都呈現出2 次最高值，說明產生了2 次空化。汽含率較高點主要產生在孔道區域（28～35 mm）和文丘里管錐角擴散段范圍內（38～64 mm），表明空化大部分是產生在這些區域中，這與前面分析過的速度場和湍動能分布規律相似，汽含率的最高點都產生在文丘里管錐形段的流場中，主要集中在50%～97%左右。從圖6 和圖7 可以看出，空化發生器c 的最高汽含率大概是99%，說明核心區的部分區域幾乎完全空化，核心區的平均汽含率明顯高于其他2 種空化發生器。而且對比3 種空化發生器的空化區域，很明顯的空化發生器c 的空化區域范圍最長，在28～35 mm 和38～64 mm 之間。說明不同的孔板分布結構對于復合式空化發生器的空化場有較顯著的影響，3 種兩級空化的復合空化發生器中帶中心孔的輻射狀排布的孔板復合結構空化發發生器的空化效果最好，這也和前面的速度場和湍動能的分析結果一致。

圖 7 空化發生器汽含率分布散點圖Fig. 7 Scatter plot of vapor content distribution of cavitation generator

4 結 語

本文在復合結構空化發生器裝置基礎上，在相同的邊界條件下，基于CFD 數值模擬軟件結合S-S 空化模型分析所設計的3 種不同孔板分布的復合結構空化發生器的性能，得到了3 種空化發生器的速度云圖、湍動能云圖、汽含率云圖和分布散點圖進行對比分析，得到如下結論：

1）本文中所設計的孔板孔道嵌套在文丘里管喉部組成的復合結構兩級空化發生器可以發生2 次空化，最高汽含率可以達到99%。該裝置經歷2 次速度、湍動能的變化，可以產生更多的空化氣泡，一定程度上大大提高了空化發生器的整體空化效果。

2）不同的孔板孔道排布方式影響了空化發生器內流場分布情況和大小，對速度場和湍動能產生的位置和大小范圍也有影響，同時空化發生器核心區的平均汽含率也有影響。

3）本文對比分析了3 種不同的兩級復合結構空化發生器，在相同邊界條件下，帶中心孔的輻射狀排布的孔板與文丘里管喉部完全嵌套所組成的復合結構空化發生器速度場和湍動能分布范圍最大，汽含率最高可達99%，空化發生器范圍也最大，綜合對比可知，此空化發生器裝置的空化性能最好。