探究串聯文丘里管空化特性

韓桂華　楊旭東　陳德裕　李大尉　趙孟石　裴禹　姚鴻賓　姚立明

摘要：為了研究串聯文丘里管的空化特性，采用數值模擬方法，建立文丘里管空化模型與壓力損失模型，基于入口壓力和水溫變化進行單級、多級串聯文丘里管內空化效果演變過程的研究;以平均氣含率為空化效果表征，得到文丘里管串聯級數與空化特性的關系，得到出口錐角與文丘里管的匹配關系，得到單級和多級串聯之間空化效果的演變規律。提出了以空化效應的介質（水）的性質——電導率為空化實驗表征，驗證串聯文丘里管的空化特性。實驗結果表明：實驗壓力下（<1 MPa）單級文丘里管水樣的電導率大于串聯管，隨著空化時間的增加水樣的電導率增加;電導率可以作為表征空化效果參數之一。為串聯文丘里管空化與壓力、溫度的關系提供指導，為空化效果的實驗表征提供新的方法。

關鍵詞：串聯文丘里管;空化特性;壓力損失模型;動態空化模型;平均氣含率;電導率

DOI：10.15938/j.jhust.2022.02.007

中圖分類號： O427.4

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2022）02-0055-08

Research on Cavitation Characteristics of Series Venturi

HAN Gui-hua YANG Xu-dong CHEN De-yu LI Da-wei ZHAO Meng-shi PEI Yu YAO Hong-bin YAO Li-ming

（1.School of Mechanical and Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China;

2.Harbin Kastar Electromechanical Technology Co.， Ltd.， Harbin 150080， China;

3.Institute of Advanced Technology Heilongjiang Academy of Sciences， Harbin 150020， China）

Abstract：In order to study the cavitation characteristics of series venturi， a cavitation model of venturi is established in this paper. Based on the change of inlet pressure and water temperature， the evolution process of cavitation effect in single-stage and multi-stage series venturi is studied. Taking the average gas holdup as the characterization of cavitation effect， the relationship between the series number of Venturi tubes and cavitation characteristics is obtained， the matching relationship between the exit cone angle and Venturi tube is obtained， and the evolution law of cavitation effect between single-stage and multi-stage series is obtained. In order to verify the cavitation characteristics of series Venturi tubes， the conductivity of cavitation medium （water） is used as the experimental characterization. The experimental results show that： under the experimental pressure （< 1MPa）， the conductivity of single-stage venturi water sample is greater than that of series tube， and the conductivity of water sample increases with the increase of cavitation time; the conductivity can be used as one of the parameters to characterize the cavitation effect. This paper provides guidance for the relationship between cavitation and pressure and temperature， and provides a new method for the experimental characterization of cavitation effect.

Keywords：venturi tube in tandem; cavitation characteristics; pressure loss model; dynamic cavitation model; average gas holdup; electrical conductivity

0前言

近幾年文丘里管的空化試驗應用于各領域，空化效應在污水、污泥處理，大豆蛋白分離，溶液殺菌，有機物降解等方面有所應用[1-4]。在結構參數方面進行了管道進出口錐角、喉徑大小、喉部長度等的研究[5-6];其中文獻8通過數值模擬和亞甲基藍空化試驗指出單級管空化效果優于串聯管[7]。但文獻9提出：與單級管相比，串聯管可能有更高的空化效果[8]。本文針對串聯文丘里管的空化特性進行研究以獲得單級與串聯間空化效果的關系。

在數值模擬方面，空化效果的表征多采用空化數、最大氣含率來對比空化效果[9-10]。空化數需要大量參數測量，且各學者對參數的定義有所差異;最大氣含率是單位體積內氣相密度最大值，只反映流體域內氣相密度最大值及位置，空化流中氣相分布不均，因此最大氣含率無法較好表示空化效果。本文采用平均氣含率進行效果分析。

在實驗檢測方面，利用空化過程中產生的羥基自由基·OH[11]，與香豆素的反應檢測熒光度變化[12]，與甲基藍反應檢測吸光度的變化[13]，與羅丹明B反應檢測降解率[14]，這些反應根據生成物的量對·OH的濃度定量分析。本文擬采用一種新的檢測手段，利用空化介質在空化效應下性質（電導率）的變化進行效果分析。電導率作為評判水溶液參數的重要標準，在探究植物根系營養吸收時得到廣泛應用[15]。文丘里管發生空化時由于高溫高壓會打開水分子間的O-H鍵，使水分解為氫氧根離子和氫離子，而且在液體中也會產生一些其他的自由基，乃至一定量新的帶電粒子，從而溶液的電導率會有明顯變化[16]。

本文通過推導壓力損失和水氣兩相動態空化模型，進行文丘里管數值模擬， 以平均氣含率為表征參數。以溫度、出口錐角、壓力為輸入條件研究串聯文丘里管的空化特性，通過實驗驗證獲得單級與串聯管間的關系。

1理論建模

文丘里管主要由入口收縮管、喉管以及出口擴張管組成，如圖1所示。這三段的尺寸影響了空化過程中的流體的動能，入口收縮角和出口擴張角主要影響了流體流過文丘里管內壓力的損失，而喉口的直徑直接影響著空化的強度。

假設文丘里管的流體為一維定常流動且流體是理想不可壓縮流體，則根據連續性方程：

1.1壓力損失模型

空化氣泡是壓力的函數，通過對文丘里管內的壓力損失模型進行推導，為文丘里管進行瞬態空化過程模擬提供理論的基礎。

壓力損失模型包括摩擦壓力損失和氣液兩相流動壓力損失。可根據連續方程以及文丘里管結構以及文丘里管軸向微分單元做動量衡算：

氣液兩相混合流動時的壓力損失擁有2個階段：空泡在局部的壓力梯度下潰滅的壓力損失階段和液相被加速的階段及液相減速的階段。空泡在局部高壓的作用下潰滅時所造成的壓力損失Δp：

液相在喉口處被加速時的壓力損失，由Yung模型[17]計算：

1.2氣液兩相動態空化模型

在使用Fluent進行文丘里管數值模擬時，由于選用的模擬條件屬于氣液間質量相互傳遞的動態空化過程，所以采用動態空化模型。動態空化模型的基礎是一種充分考慮到液體的表面張力、非凝結氣體濃度、液體汽化壓力等多因素耦合分析的求解液體空化兩相流質量傳遞的模型（全空化模型）。

全空化模型的理論基礎：決定水蒸汽質量份數（以下稱質量氣含率）的組分輸運方程為

2數值模擬

2.1瞬態空化過程模擬與驗證

根據1.2氣液兩相動態空化模型，進行文丘里管瞬態空化過程模擬。瞬態空化過程模擬可以為文丘里管的數值模擬打下基礎數據，再用穩態過程進行定量數據分析。

結合上述進行網格劃分和邊界條件的設置，設計以下固定參數：進出口管徑為40mm，喉徑為8mm，喉部長度為10mm，管長140mm，進口錐角40°。設計不同出口錐角、入口壓力、空化溫度以及串聯級數進行模擬仿真，以每隔0.05s為一個時間節點截取這個時刻的空化氣含率云圖。

2.2基于入口壓力的數值模擬

為了觀察單級與串聯文丘里管的空化過程，采用Realizable模型、Mixture的多相流模型來進行Fluent模擬。采用水為流體介質，凝固點為0℃，沸點為100℃，密度為1g/cm，粘度系數為0.895×10Pa·s。模擬條件為入口錐角為40°、出口錐角20°、水溫298.15K。以進出口壓差0.3、0.5、1.0、2.0MPa為代表，得到單級管和串聯管氣含率云圖如圖2所示。

從圖2可知，隨著壓力變化，串聯管始終是只發生了一級空化，隨著壓力的上升文丘里管內的氣含率是在不斷上升的，當壓力小于1.0MPa時，單級管的空化效果優于串聯管，當壓力大于1.0MPa時，串聯的空化效果優于單級管串聯管。傾向于采用“平均氣含率”作為文丘里管空化效果的表征，這樣更能真實表達文丘里管內部整體的空化效果。

不同入口壓力下文丘里管內的平均氣含率變化數據，見表1。

從表1可知，隨著壓差的升高文丘里管內的平均氣含率是在不斷的上升，而且隨著壓力梯度變化，平均氣含率變化的幅度也是逐漸增大的。為了使得表征方便將上述表數據繪制成如圖3所示。

分析表1、圖3可以得出：壓差0.3～1.0MPa時，單級管的效果優于串聯管，在1.0～6.0MPa正相反。因為小于1.0MPa時單級管內壓降較大，更易達到空化發生壓力;大于1.0MPa時壓力較大，沿程的壓力損失相對較小，空化能力（壓降更容易接近飽和蒸氣壓）和空泡破滅的能力都優于單級的文丘里管;在入口壓力為6.0MPa之后，再增加入口壓力，串聯文丘里管內的平均氣含率逐漸的下降，而單級文丘里管的平均氣含率還在逐漸的上升，12.0MPa時氣含率達到最大值;這是由于隨著入口壓力的不斷升高水流速度加快，這時水流流速增大會帶走一部分還未破滅的氣泡導致氣含率下降。

2.3基于串聯級數的數值模擬

在與2.2相同實驗條件下進行多級文丘里管串聯Fluent模擬，進出口壓差分別取0.5、1.0、2.0MPa的二、三、四級串聯文丘里管氣含率云圖如下圖4所示。

相同條件壓力、溫度下進行多級管空化效果分析，見表2。

通過云圖可知隨著壓力變化和串聯級數的增加，串聯管內也還是只發生了一級空化。從表2可知，隨著串聯管壓差的增加，管的空化效果在不斷增強，管內平均氣含率呈上升趨勢;而隨著串聯管級數增加，管的空化效果逐漸下降。

2.4基于出口錐角的數值模擬

在入口壓力為0.5MPa、水溫為298.15K，得到不同出口錐角串聯管模型，數據如表3所示。

從表3可知，管內的平均氣含率隨著出口錐角的變化呈現出先增大后減小的趨勢。這是因為當文丘里管的出口錐角較小時，此時影響空化效果的主要因素為飽和蒸汽壓力，因為此時文丘里管的空化發生區域（出口擴張段）的壓力更加接近飽和蒸汽壓力，此時的空化能力更強。單級管在8°時，串聯管在15°時達到最大值。但之后繼續增大出口錐角的話，就要考慮此時飽和蒸汽壓力和水流速度對文丘里管空化效果的影響了。由于文丘里管的空化能力相對較弱，且空化水射流帶走了一部分并未完全破滅的空泡，從而使得此時的平均氣含率更小。

2.5基于溫度的數值

入口壓力為0.5MPa，入口錐角為40°，出口錐角20°，溫度分別取5、25、45、65℃，進行單級與二級串聯管的模擬，數據見表4。

從表4可知，單級與串聯管內的空化效果隨著溫度的上升，文丘里管內的空化效果是在不斷的增強，但增強幅度比較小，是壓力變化引起平均氣含率變化的1/10。上述數據可知在溫度為5℃和65℃的時候，此時水的飽和蒸汽壓力相對較低，壓降值需要很大才能產生空化，此時文丘里管內的空化發生能力較弱，所以此時的平均氣含率變化相對較小。但是隨著水溫的不斷上升，飽和蒸汽壓力也在不斷上升，此時發生空化的能力也在逐漸的上升，也就是文丘里管內喉部的局部低壓更接近于飽和蒸汽壓，但是總體來講，文丘里管內溫度的變化對空化效果的影響相對來說較小。

3實驗研究

3.1實驗裝置

電導率測量原理：根據超聲空化的研究結論，空化效應所產生的高溫高壓、微射流和沖擊波等是溶液性質（如電導率）變化的主要原因[18]，且電導率受溫度變化影響[19]。但是，對于電導率隨超聲功率及其作用時間的變化關系卻存在一定的分歧[20]。本次實驗探討電導率與水力空化效應的關系。為消除溫度對電導率的影響，將空化水樣冷卻至室溫再進行電導率測量。

搭建實驗裝置如圖5所示，實驗裝置由電機水泵、水箱、流量計、入口壓力表、出口壓力表、空化器以及各部分管道所組成。

3.2實驗參數

實驗是在相同流量條件下完成的，根據實驗數據，單級管的入口壓力為0.5MPa，串聯管的入口壓力為0.3MPa，二者參數見表5。

實驗過程中存在溶液與文丘里管溫度升高現象串聯文丘里管在二階管喉部處溫升更為顯著，而單級文丘里管較快串聯文丘里管溫升較快。為驗證實驗結果準確性，將實驗條件作為數值模擬的初始條件進行數值模擬，得到仿真云圖，見圖6所示。

分析圖6：對比單級和串聯文丘里管的壓力云圖可知，串聯文丘里管在第一段內會產生憋壓現象導致壓力和能量損失較大，空化效果下降，氣含率云圖差異顯著。氣含率云圖表征發生空化的位置與實驗文丘里管溫升變化最大處相對應。

3.3電導率與時間的關系

選取實驗管，參數見表5。按空化時長10、20、30、50、60min進行取樣，取未空化純水設置對照組，并記錄下常溫時水樣的電導率，見表6所示。

從表6可知，1）空化過程中水的電導率會呈現隨空化時間增加逐漸增大的趨勢;2）實驗壓力條件下，以電導率為表征參數，串聯管的空化效果優于單級管。與以平均氣含率為數值模擬表征參數的仿真結果一致。

電導率測試中水溫度基本不變（所有水樣保持在室溫水平），可以忽略熱效應的影響，水力空化分為穩態空化和瞬態空化，通過理論估算和實際的聲化學研究已表明，當液體媒質中發生瞬態空化時，在空化泡的內部和周圍將產生高溫高壓，并伴有速度極快的微射流（非均相）或強大的沖擊波（均相），其溫度可達5000K-以上，溫度變化率高達 109 K/s，壓力可高達數百乃至上千個大氣壓。這就為在一般條件下難以實現或不可能實現的化學反應，提供了一種新的非常特殊的物理環境，開啟了新的化學反應通道。瞬態空化產生的高溫使水裂解為·OH 和·H 自由基，而高壓釋放所產生的微射流會破壞水中的 HCO、H和其他一些礦物質等所形成的水合離子，從而使離子數目增加。因此隨著時間增加，離子數目增加，電導率也相應增加。

4結論

1）數值模擬結果表明：在入口壓力小于1MPa 時，單級管內水的平均氣含率高于串聯文丘里管;大于1MPa時，單級管內水的平均氣含率低于串聯管;管的串聯級數增加平均氣含率降低;空化模擬溫度對管內水的平均氣含率影響不明顯，為壓力影響數量級的1/10。

2）在實驗壓力下（<1MPa）單級文丘里管水樣的電導率大于串聯管，隨著空化時間的增加水樣的電導率增加。

3）電導率可以作為表征空化效果參數之一。

參 考 文 獻：

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（編輯：溫澤宇）