旋轉(zhuǎn)式空化射流發(fā)生器的數(shù)值模擬分析

＊張思琦 李福寶 霍英妲 王亞軍

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)化工裝備學(xué)院 遼寧 111000）

空化現(xiàn)象是指流體在某一特定環(huán)境下流動(dòng)時(shí)會(huì)形成空泡，從而破壞流體本身具有的流動(dòng)連續(xù)性的現(xiàn)象。空泡的形成有兩種情況，一是液體蒸汽形成了空泡，夾雜在流體中，隨流體一起流動(dòng)；二是當(dāng)流體所受的壓力、溫度等發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)有空泡從液體中分離出來(lái)[1]。空化發(fā)生過(guò)程就是空泡的產(chǎn)生、發(fā)展直至潰滅的過(guò)程[2]。

目前，有關(guān)研究人員對(duì)空化及內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬的研究有很多。李大尉等[3]基于FLUENT軟件對(duì)原始葉型和改良葉型空化器在不同轉(zhuǎn)速下的自然空化流場(chǎng)開展數(shù)值仿真計(jì)算。結(jié)果顯示，改良葉型空化器產(chǎn)生的空泡尺寸更大，產(chǎn)生的自然空化更強(qiáng)；改良葉型在葉根處產(chǎn)生的空化效應(yīng)較強(qiáng)，而原始葉型在葉尖處產(chǎn)生的空化效應(yīng)更強(qiáng)。田素根等[4]采用CFD技術(shù)對(duì)渦旋泵在不同轉(zhuǎn)角下的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析了不同工況下的泵內(nèi)空化現(xiàn)象及其性能。結(jié)果表明保持渦旋泵排量不變，則泵的回轉(zhuǎn)半徑越大，其空化越嚴(yán)重。胡俊等[5]以不同頭型回轉(zhuǎn)體模型為研究對(duì)象，探究頭型和肩部連接方式對(duì)初生空化數(shù)及空腔形態(tài)的影響。通過(guò)選取圓形、錐形及橢圓形系列頭型的回轉(zhuǎn)體模型，在不同空化數(shù)的工況下，對(duì)不同頭部回轉(zhuǎn)頭部體空化流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果顯示空化腔的長(zhǎng)度和厚度隨空化數(shù)的減小而增大，頭型回轉(zhuǎn)體頭部長(zhǎng)度越短，空化數(shù)對(duì)空腔長(zhǎng)度和厚度的影響越為顯著。汪正陽(yáng)等[6]為探究大型雙吸式離心泵的內(nèi)流場(chǎng)空化特性，對(duì)某大型雙吸式離心泵內(nèi)流場(chǎng)空化特性進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，利用CFD進(jìn)行三維湍流數(shù)值模擬可有效反映出雙吸式離心泵內(nèi)流場(chǎng)的空化特性，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較一致。于海濤等[7]利用FLUENT對(duì)雙腔室自激振蕩脈沖噴嘴進(jìn)行空化射流數(shù)值模擬，分析腔長(zhǎng)比、腔徑比的變化對(duì)空化射流流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明：當(dāng)諧振腔腔長(zhǎng)比為0.77、腔徑比為2.6時(shí)，諧振腔內(nèi)渦環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好，軸向含氣率高，空化效果最好。綜上所述，對(duì)旋轉(zhuǎn)式空化射流發(fā)生器進(jìn)行數(shù)值模擬是必要的。

本文基于FLUENT軟件，對(duì)旋轉(zhuǎn)式空化射流發(fā)生器進(jìn)行了內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。

1.數(shù)值模擬

為研究旋轉(zhuǎn)式空化射流發(fā)生器的空化效果，即最大含氣率，在使用FLUENT軟件時(shí)，需要對(duì)發(fā)生器進(jìn)行模型建立、網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。

(1)模型建立與網(wǎng)格劃分

①模型建立

構(gòu)建旋轉(zhuǎn)式空化射流發(fā)生器三維模型如圖1所示。其中，入口直徑D1=40mm、出口直徑D2=125mm、入口處葉片安放角β1=10°、出口處葉片安放角β2=20°、葉片包角φ=120°、葉片數(shù)z=5。

圖1 旋轉(zhuǎn)式空化射流發(fā)生器三維模型

②網(wǎng)格劃分

由于旋轉(zhuǎn)式空化射流發(fā)生器中葉輪是旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，故在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)需要對(duì)發(fā)生器的流體域以及旋轉(zhuǎn)區(qū)流體域同時(shí)提取，否則旋轉(zhuǎn)的葉輪將無(wú)法被定義。因結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有網(wǎng)格生成速度快、質(zhì)量好、區(qū)域光滑且與實(shí)際模型更接近的優(yōu)點(diǎn)，故本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸為1mm，劃分后約有40萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格平均質(zhì)量為9.152，網(wǎng)格質(zhì)量較好，可進(jìn)行模擬計(jì)算。圖2為流體域提取及網(wǎng)格劃分圖。

圖2 流體域提取及網(wǎng)格劃分

③網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

本文在進(jìn)行模擬的過(guò)程中，主要分析旋轉(zhuǎn)式空化射流發(fā)生器的空化性能，而液體的最大含氣率是空化性能最重要的影響因素，所以本文通過(guò)分析不同網(wǎng)格數(shù)量下，發(fā)生器內(nèi)部最大含氣率的曲線圖，來(lái)對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證。圖3為不同網(wǎng)格數(shù)量下最大含氣率的曲線圖。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)量下最大含氣率曲線圖

由圖3可知，當(dāng)劃分的網(wǎng)格數(shù)量在20萬(wàn)～40萬(wàn)之間時(shí)，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，液體的最大含氣率增長(zhǎng)速度較快。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到40萬(wàn)以后，可以發(fā)現(xiàn)，即使增加網(wǎng)格數(shù)量，液體的最大含氣率變化幅度也相對(duì)較小，網(wǎng)格數(shù)在40萬(wàn)～60萬(wàn)時(shí)，最大含氣率變化曲線相對(duì)平緩，故為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，最終采用40萬(wàn)數(shù)量的網(wǎng)格。

2.模擬結(jié)果與分析

(1)含氣率分布云圖

當(dāng)入口壓力選擇設(shè)定為0.6MPa，出口壓力設(shè)為101325Pa時(shí)，葉輪的含氣率分布云圖如圖4所示。由圖可知，最大含氣率在葉輪出口處葉片背部達(dá)到最大，最大含氣率為0.904，故旋轉(zhuǎn)式空化射流發(fā)生器空化發(fā)生的位置主要分布在入口處葉片的背面。

圖4 旋轉(zhuǎn)式空化射流發(fā)生器含氣率分布圖

(2)壓力分布云圖

圖5為旋轉(zhuǎn)式空化射流發(fā)生器壓力分布圖，從圖中可知，在流場(chǎng)內(nèi)，負(fù)壓區(qū)主要發(fā)生在葉片背面中部位置，該區(qū)域最低壓力為-1.417×105Pa。同時(shí)，在葉輪出口邊緣處，也存在較大的負(fù)壓區(qū)。通過(guò)對(duì)比圖4和圖5，可知負(fù)壓區(qū)較大的位置和空化發(fā)生的位置基本相同。

圖5 旋轉(zhuǎn)式空化射流發(fā)生器壓力分布圖

(3)速度分布云圖

如圖6（a）（b）為旋轉(zhuǎn)式空化射流發(fā)生器內(nèi)部流體的速度分布云圖。由圖可知，流體在葉輪中心處、葉片背面從中部到出口邊緣處的速度較小，最小速度發(fā)生在葉片背面中部以及出口貼近壁面處，最大速度發(fā)生在在葉片正面中部以及出口貼近壁面處，最大值為31.27m/s。而當(dāng)液體流經(jīng)兩葉片中間區(qū)域時(shí)，其速度開始減小，速度大小在4.169～10.423m/s之間。當(dāng)液體從葉片正面運(yùn)動(dòng)到葉片背面時(shí)，流體速度在逐漸減小，且分界明顯。

圖6 速度分布云圖

如圖6（c）為腔內(nèi)流體的相對(duì)速度分布云圖。由圖可知，在葉輪進(jìn)口處位置出現(xiàn)負(fù)方向的相對(duì)速度，最大負(fù)相對(duì)速度可達(dá)15.812m/s。其原因是流體在葉輪內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程中，葉片對(duì)流體會(huì)產(chǎn)生阻礙，故出現(xiàn)負(fù)的相對(duì)速度。隨著半徑的增大，流體流動(dòng)區(qū)域逐漸增大，葉片對(duì)流體的阻力不斷減小，負(fù)相對(duì)速度逐漸減小。葉輪內(nèi)部的相對(duì)速度分布由葉輪內(nèi)徑向外徑由負(fù)到正變化，整體逐漸增大，其中最大相對(duì)速度大部分出現(xiàn)在靠近葉片正面位置以及葉輪外徑邊緣區(qū)域，大小為4.636m/s。

3.結(jié)論

（1）旋轉(zhuǎn)式空化射流發(fā)生器空化性能較好，最大含氣率在葉輪入口處葉片背部達(dá)到最大，最大含氣率為0.904，故旋轉(zhuǎn)式空化射流發(fā)生器空化發(fā)生的位置主要分布在入口處葉片的背面。此時(shí)的最大負(fù)壓為-1.417×105Pa，最大速度為31.27m/s。

（2）負(fù)壓區(qū)主要發(fā)生在葉片背面中部位置，該區(qū)域最低壓力為-1.417×105Pa。同時(shí)，在葉輪出口邊緣處，也存在較大的負(fù)壓區(qū)，負(fù)壓區(qū)較大的位置和空化發(fā)生的位置基本相同。

（3）流體在葉輪中心處、葉片背面從中部到出口邊緣處的速度較小，最小速度發(fā)生在葉片背面中部以及出口貼近壁面處，最大速度發(fā)生在葉片正面中部以及出口貼近壁面處，最大值為31.27m/s。腔內(nèi)流體的相對(duì)速度分布隨著流動(dòng)半徑的增大而逐漸增大，最大相對(duì)速度發(fā)生在葉片正面靠近出口處，最大值為4.636m/s。