文丘里式微氣泡發生器氣泡碎化數值研究

韓易潼，于秋瑩，袁勝華，王永林，王志武

（中國石化 大連石油化工研究院，遼寧 大連 116041）

微氣泡具有比表面積大、可生成自由基、氣液傳質率高、存在時間長、界面電位高等特點，具有獨特的尺度效應和流體力學特征，能夠顯著降低固液界面摩擦并提高水體溶氧量，被廣泛應用于強化化學反應、生物制藥、水體增氧、氣浮凈水等領域［1-3］。微氣泡主要通過加壓溶氣釋氣法、機械分散法、超聲空化法、引氣法等方法產生［4-8］?；谝龤夥ㄔ淼奈那鹄锸轿馀莅l生器具有結構簡單、功耗低、可靠性強等優點，目前被廣泛應用于工程領域［9-10］。數值計算方法被廣泛應用于微氣泡研究領域，以深入探明微氣泡發生機理并對發生器不斷優化。陳文義等［11］在微氣泡發生器擴張段安置導葉，利用流體體積多相流模型和標準k-ε湍流模型進行數值計算，得出導葉對微氣泡發生器工作效果的影響。魏月友等［12］通過計算流體力學軟件對不同喉徑比的微氣泡發生器進行數值計算，經由對速度、壓力場和進氣狀況的對照分析得到最優喉徑比。張衛等［13］對一種兼具了剪切作用和孔板效應的自吸式微氣泡發生器結構參數進行數值計算，分析發泡性能。Sadatomi等［14］對文丘里式微氣泡發生器進行模擬優化，實現在小氣液比條件下產生微米級氣泡。Gordiychuk等［15］研究了氣液流速和進氣口直徑對文丘里式微氣泡發生器氣泡粒徑分布的影響。綜上，針對文丘里式微氣泡發生器的數值計算大部分是以優化喉徑比與擴張角等結構參數為主，且以二維模型的研究居多，對于氣泡破碎機理的研究較少。

本工作通過Fluent軟件建立了文丘里式微氣泡發生器模型，并進行仿真計算；結合流場內的速度、壓力、粒徑、相分布等主要參數，進一步分析文丘里式微氣泡發生器氣泡碎化機理。

1 控制方程、計算模型及方法

1.1 控制方程

1.1.1 基本控制方程組

文丘里式微氣泡發生器擴張段流場中氣液兩相充分混合，選擇Mixture模型進行數值計算［16］。假設在氣泡發生器內流體進行高速流動時的速度、密度等參數是連續的，對混合相的輸運方程可通過混合相的連續性方程與動量方程直接求解。

1.1.2 湍流模型

對文丘里式微氣泡發生器流場進行計算時，湍流模型起到了至關重要的作用［17］。本工作采用在標準k-ε模型基礎上進行了改進的RNGk-ε模型，提高了計算精度，該模型適用于中等漩渦、快速變化以及局部復雜剪切流動的情況，符合文丘里式微氣泡發生器內流場的情況，預期效果好。

1.1.3 群體平衡模型

由于在氣泡發生器內受液體流動的影響，氣泡粒徑隨著時間的變化而改變，所以需要添加群體平衡方程來描述氣泡間的平衡，氣泡破碎模型選擇Luo破碎模型，氣泡聚并模型選擇Turbulent聚并模型。

1.2 物理模型

文丘里式微氣泡發生器主體結構由液相入口、氣相入口、漸縮段、喉管、擴張段、出口組成，工作原理是水由液相入口進入微氣泡發生器，流經漸縮段的過程中流速逐漸升高，當抵達喉管位置時，流速達到最大。根據Bernoulli原理，高速的流體通過喉管時，會使喉管處的壓力降低，甚至出現負壓，負壓的形成會促進外界氣體從氣相入口進入氣泡發生器，并被高速流體所產生的強湍流擊碎，從而產生微氣泡。圖1為文丘里式微氣泡發生器的結構示意圖。由圖1可知，發生器由漸縮段、喉管、擴張段三部分組成。為保證兩相在發生器內能夠充分接觸、發展，在發生器進出口處延長一定長度作為緩沖區，且為了更詳細地分析流場情況，沿著發生器的軸向方向選取4個截面作為觀測面。

圖1 微氣泡發生器的結構示意圖Fig.1 Structural schematic diagram of the microbubble generator.

1.3 邊界條件與計算參數

液相介質為水，工作條件為常溫常壓。數值計算采用瞬態求解器，配置監測器實時監測收斂狀況，設定收斂精度為10-6。氣、液相入口類型采用速度入口（velocity inlet），液相流量為1.5 L/min，氣液比為5%；出口類型設置為壓力出口（pressure outlet），壓力大小為常壓（0.1 MPa）；壁面采用無滑移壁面；設置湍流動能和湍流耗散率為二階迎風離散格式；湍流強度（I）按式（1）進行計算。

采用ANSYS Mesh軟件對文丘里式微氣泡發生器進行網格劃分，由于文丘里式微氣泡發生器為對稱結構，為減少計算量、提高計算速度，僅對氣泡發生器半個流場進行結構化網格劃分，同時為更精準地捕捉氣液兩相作用的結果，對喉管與擴張段部分進行網格加密，網格模型如圖2所示。

圖2 微氣泡發生器的網格模型Fig.2 Grid model of the microbubble generator.

網格數量對微氣泡發生器內流場分布、氣泡的聚并破碎和氣泡粒徑分布有很大的影響，只有當網格數達到一定數量后，計算精度才能得到保證。因此，本工作在相同的計算條件下，分別對30 273，49 875，71 374，89 993，112 356五種網格數量的模型進行數值計算，并記錄各模型的進出口壓降。表1為壓降隨網格數量的變化情況及相對偏差。由表1可知，當網格數量由71 374增加至89 993時，相對偏差為0.81%（降低到1%以內），進出口壓降變化也明顯減小，表明繼續加密網格對計算結果的影響已經很小，網格數量為71 374時可滿足對計算精度的要求。

表1 網格無關性驗證結果Table 1 Results of the grid independence verification

2 結果與討論

2.1 氣相與氣泡粒徑分布

圖3為氣泡發生器內的氣相分布云圖。由圖3可知，氣相通過進氣管進入流場，緊貼喉管內壁流動，距離液相入口20，25 mm位置處的氣相分布情況幾乎一致，直至抵達擴張段時才開始出現擴散現象，且隨著流場的發展，擴散現象愈發明顯。在距離液相入口35 mm處時氣相已較為均勻地擴散在氣泡發生器內，在距離液相入口45 mm位置處甚至出現氣相回流現象。

圖3 氣相分布云圖Fig.3 Scalar scenes of the gas phase distribution.

圖4為氣泡發生器內的氣泡粒徑分布云圖。結合圖4和圖3可知，氣相在喉管內集中分布，氣泡粒徑較大，隨著氣相的擴散，氣泡開始發生破碎，且隨著流場的發展，氣泡粒徑逐漸減小。通過4個觀測截面可更直觀地觀察氣泡破碎情況，距離入口20 mm的喉管位置處，氣泡粒徑為700 μm，距離入口25 mm的擴張段入口處氣泡粒徑為600 μm，距離入口35 mm的擴張段中部位置處氣泡粒徑為200 ～300 μm，距離入口45 mm的緩沖區氣泡粒徑為150 μm，而在氣泡發生器的出口位置處氣泡粒徑甚至可達100 μm。因此，氣泡發生破碎的主要區域在擴張段，同時也是氣相發生擴散的主要部位。

2.2 速度場分布

圖5為氣泡發生器內的速度分布云圖。圖6為軸向、徑向速度變化曲線。結合圖5和圖6可知，流場內的速度以軸向分布為主，且沿著軸向方向呈現先增加后減小的趨勢，并在喉管位置處達到峰值18 m/s。再結合圖3和圖4可知，喉管處高速流動的液相會對由進氣管進入的氣相產生黏性剪切作用，將連續氣相打斷成氣泡，達到氣泡初步破碎的目的。

圖4 氣泡粒徑分布云圖Fig.4 Scalar scenes of the bubble particle distribution.

圖5 速度分布云圖Fig.5 Scalar scenes of the velocity distribution.

圖7為液相流動跡線。結合圖6（b）可知，流場中部的高速流體在無滑移壁面的影響下會形成速度梯度，且隨著擴張段內流場截面的增大，速度逐漸減小，最終在與壁面速度差的作用下在擴張段中部至末端的壁面處產生渦旋。結合圖3和圖4中氣相的擴散情況與氣泡粒徑大小分布可知，擴張段渦旋的存在加劇了流場的擾動，并促進了氣相的擴散與氣泡的再次破碎，同時也是造成緩沖區氣相回流的重要原因。

圖7 液相流動跡線Fig.7 The liquid phase flow trace.

2.3 壓力場分布

圖8為氣泡發生器內的壓力分布云圖。由圖8可知，壓力分布以軸向分布為主，徑向方向上壓力幾乎一致。結合圖6可知，隨著收縮段橫截面積的減小，流速從1 m/s逐漸提高至15 m/s，根據Bernoulli原理可知，速度的激增會導致壓力的驟減，進而使得喉管處出現負壓，促進外界氣相的進入。同理，當流體抵達擴張段時，由于橫截面積的增大，流速逐漸減小，導致壓力不斷升高。

圖6 速度變化曲線Fig.6 Curves of the velocity change.

圖8 壓力分布云圖Fig.8 Scalar scenes of the pressure distribution.

圖9為軸向壓力變化曲線與軸向壓力梯度曲線。由圖9可知，收縮段與喉管內壓力逐漸降低，擴張段內壓力逐漸升高。結合圖4可知，擴張段是氣泡發生破碎的主要階段，這說明壓力的升高是促進氣泡破碎的主要因素。由此可以推斷，由于擴張段橫截面積的不斷擴大，在該階段會形成逆壓梯度，使得壓力不斷增加，進而打破了氣泡內外的壓力平衡，加劇了氣泡界面的不穩定性，導致氣泡的再次破碎，最終形成微氣泡由出口排出。

圖9 壓力變化曲線Fig.9 Curves of the pressure change.

3 結論

1）黏性剪切作用：根據Bernoulli原理，液相經過漸縮段時流速逐漸增加，在喉管處達到峰值，高速的液相會對剛進入文丘里式微氣泡發生器的氣相形成黏性剪切作用，進而從連續氣相中切出小氣泡。

2）渦流作用：在無滑移壁面的影響下，中部高速的流體會與壁面間形成速度差，從而使擴張段中部至末端的近壁面位置處形成渦流，渦流的存在會造成回流現象，從而加劇流場的擾動，導致氣泡的再次破碎。

3）逆壓梯度作用：擴張段橫截面積的逐漸擴大使該部分形成逆壓梯度，隨著壓力的不斷增加，氣泡內外部壓力的平衡將會被打破，從而加劇了氣泡界面的不穩定性，導致氣泡的再次破碎。