孔板和文丘里管复合结构空化器的优化设计

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(1.西华大学能源与动力工程学院，四川 成都 610039;2.国网重庆市电力公司，重庆 404100)

·能源与环境·

孔板和文丘里管复合结构空化器的优化设计

曾章美1，刘小兵1*，兰 崴2，黄长久1， 柯 强1，安满意1

(1.西华大学能源与动力工程学院，四川 成都 610039;2.国网重庆市电力公司，重庆 404100)

利用ANSYS-CFX软件，在相关水力装置空化器研究的基础上，对孔板和文丘里管复合结构空化器的空化效果进行模拟优化。在孔板结构参数相同、位置一定的条件下，对复合结构空化器的空化流场进行数值模拟，探讨3种不同形式的文丘里管喉部结构对空化效果的影响。通过对空化流场的压力分布、空泡体积分数以及汽含率的分析，结果表明：文丘里管喉部结构形式对空化效果有着明显的影响，在相同的边界条件下，急剧型的复合结构空化器空化效果更强。

水力空化；文丘里管；数值模拟；优化

空化是液体内局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸气或气体的空穴(空泡)的形成、发展和溃灭过程。空化发生时伴随着巨大的能量变化，利用该能量可以促进物理、化学过程的发生。

空化器是利用水力空化技术对水进行处理，原理是当水流流过收缩装置时，过流断面急剧变化，水流被增速降压，当压强降到水温汽化压强下时发生空化。空化效果强弱影响空化器的效率，确定最优的复合空化器结构参数，强化空化效果，设计出具有高效率的空化器装置对生产、生活有着重要的意义。目前，国内外许多学者已经对水力空化装置进行了探讨研究。例如：Yu H.等设计、制造、测量微文丘里管用于微流控系统[1]；S. Uesawa 等对文丘里管内空泡破灭过程做了详细的研究[2]；王智勇等针对不同压力、不同喉部直径和扩散段长度对文丘里管内部空化现象的影响进行数值模拟[3]；章昱等采用标准k-ω模型对孔板水力空化装置进行数值模拟，探讨了空化效应强度的影响因素[4]；王海平等对用于湿气测量的文丘里管的结构进行了优化设计，找到了优化参数[5]。但这些研究一般都集中于单独的孔板或文丘里管水力空化装置的研究。本文在结合孔板和文丘里管复合空化器最佳结构形式的基础上，改变文丘里管喉部结构，利用ANSYS-CFX软件对不同结构形式下的空化流场进行数值模拟，获得压力分布、空泡体积分数及汽含率等数据，通过对这些数据的分析，得出高效率的复合空化器结构形式，为水力空化发生器结构优化设计提供参考。本文探讨的优化装置用途广泛，如用于油废水处理[6]、水电站的洞塞消能、生物工程领域中的细胞破壁等。

1 数学模型

1.1数学模型的建立

采用NX6.0软件建立文丘里管和孔板复合空化器三维模型，模拟采用的文丘里管的参数为：管路直径为32 mm，进出口锥角分别为40°和10°，喉部直径为14 mm，长12 mm。孔板安放在离文丘里管进口33.8 mm处，直径与文丘里管喉部直径相同，小孔直径为1 mm，按45°均匀分布，共17个。此次设计了3种文丘里管的喉部结构形式，分别为平滑型空化器(图1(a))、急剧型空化器(图1(b))和渐缓型空化器(图1(c))。

(a)平滑型空化器

(b)急剧型空化器

(c)渐缓型空化器

1.2湍流模型的选择

文丘里管里的水流视为不可压缩的稳定流动，采用标准k-ε湍流模型，湍动能黏度μt=ρCμk2/ε，其中k和ε是2个基本未知量，与之相对应的运输方程[7]为：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk；

(1)

(2)

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Gb是由于浮力引起的湍动能k的产生项；YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献；C1ε、C2ε和C3ε为经验常数；σk和σε分别是与湍动能k和耗散率对应ε的Prandtl数；Sk和Sε是用户定义的源项。考虑流动为不可压缩流体且不考虑用户自定义源项，则标准k-ε模型变为：

(3)

(4)

式中：C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

1.3网格划分方法

采用ANSYS-CFX软件进行数值模拟计算。利用ICEM-CFD对三维模型进行网格划分，采用非结构性网格计算，通过检查网格质量，将网格质量低于0.3的区域进行局部加密处理，删除不符合质量的网格。第1种结构的模型单元网格总数为14万575 9，第2种结构的模型单元网格总数为14万180 9，第3种结构的模型单元网格总数为22万170 6。

1.4边界条件设定

选取25 ℃水和25 ℃的水蒸气为对象进行数值模拟，设置进口为速度进口，速度为3 m/s，出口设为压力出口，出口压力为0 Pa,水的表面张力为0.717 N/m，密度为998 kg/m3，设定不可压缩相为水。由于本文中模拟的复合空化器的空化流场存在气液两相的转换，属于两相流范畴，故选取多相流中的混合模型(mixture model)。在低压区引入空化模型，设定25 ℃水的饱和蒸汽压为317 0 Pa，压力插值选用线性插值，对流相的离散格式采用一阶迎风，设定残差收敛精度为1×10-4。时间控制选择自动时间控制，模拟3种结构模型的空化流场。

2 数值模拟结果及分析

2.1压力分布

在进口速度为3 m/s，出口压力为0 Pa的条件下，3种结构形式的文丘里孔板复合器压力分布如图2所示。可以看出，3种结构形式的空化器的压力大体都呈梯度分布。沿着流动方向压力逐渐降低，当达到气体饱和压力时发生空化，在喉部与孔板连接区域压力最低，随后压力逐渐升高。平滑型和急剧型、渐缓型空化器的差别在于平滑型空化器未在缩颈处出现压力最低点。其原因是由于平滑型的缩颈处和扩颈处是弧形结构，水流在这个位置的过渡较急剧型、渐缓型空化器平缓，则速度增大较缓慢，因此没出现压力最低点。3种结构中急剧型空化器压力变化急剧，低压区的范围较大，更有利于空化的发生。

图2 复合空化器压力分布

2.2湍动能和空化数

图3为3种结构空化器的湍动能分布图。可知3种结构的空化器湍动能突增都发生在孔板处。湍动能是由空化现象引起的，当水流流经小孔时，过流断面急剧变化，水流速度急剧增加，导致压力突降，当压力降到水的汽化压力下时产生空泡。在空泡产生和溃散的时候，流场会出现强烈的扰动，脉动压力增加，湍动能也就相应升高[10]。从图中可以看出喉部结构的变化对空化器的湍动能也有一定的影响。

空化数是描述空化初生和空化状态的一个重要参数，其定义[3]为

(5)

式中：p和v分别为液体中某一选定点的绝对压强和流速；pv为某一温度下的液体饱和蒸汽压；ρ为液体密度。

空化数用来判断空化初生和衡量空化强度，还可以描述设备对空化破坏的抵抗能力以及衡量不同流场空化现象的相似性[8]。

根据式(5)计算3种喉部结构空化器孔板处(X=33.8 mm)空化区的空化数，结果如表1所示。

表1 空化数计算结果

由表中计算结果可知，3种结构形式的空化器中，急剧型空化器的空化数最小，说明突变的收缩和扩张喉部结构比流线型断面的喉部结构空化数小，即急剧型空化器发生的空化最剧烈。通过空化数的对比，说明3种空化器发生的空化程度不同，喉部结构的形式会影响复合空化器的空化效果。

图3 湍动能云图

2.3空泡体积分数

图4为3种结构形式的空化器在相同模拟条件下的空泡体积分数分布图。空化发生时,由于液体的汽化以及含有的微小气化核心成长为气泡,致使液体中出现大量的空化泡,形成液体-空化泡共存的气液两相流[3]。空化发生的程度不同，产生的空泡数量就不同，空泡数量可以看出空化效果的强弱。从图中可以看出，空泡发生在孔板小孔的周围，A区域越多代表空泡含量越大。3种结构形式空化器中急剧型空化器出现的空泡数量最多，因此急剧型空化器的空化效果最好。

图4 空泡体积分数

2.4沿管轴汽含率分布

图5示出3种空化发生器沿管轴的汽含率分布曲线。汽含率是气相和液相中气相所占的体积分数，即空泡体积分数[9]，其定义为

(6)

式中：Vg是气体在两相中所占的体积；V1为液体在两相中所占的体积。

图5中X轴坐标表示离文丘里管进口的距离，纵坐标是该位置上空泡体积分数。可知，3种空化器的汽含率曲线大致相同，空泡均出现在X轴30～50 mm处。在X轴35～40 mm处空泡初生，急剧型空化器汽含率从0迅速增加，达到最大值0.5后，随后又迅速下降至0.05，在X轴40～45 mm处，汽含率从0.05缓慢下降直至为0，此过程空泡溃灭。平滑型空化器汽含率在X轴35～40 mm处迅速增加达到最大值0.35，随后也是迅速下降，直至空泡含量为0。渐缓型空化器汽含率变化趋势和急剧型、平滑型空化器相同，在X轴35～40 mm处迅速增加为0.21，在X轴40 mm以后迅速减小，在X轴42.5～45 mm处再次出现空泡，但是含量很小，不足0.1。对比3条汽含率曲线可知，急剧型空化器平均汽含率高于其他两种形式。汽含率越大表示空泡含量越大，空化发生得越强烈，则空化器的效果越好[11]，因此3种形式中急剧型空化器空化效果最好。

图5 沿管轴汽含率分布图

3 结论

本文利用ANSYS-CFX软件，在孔板结构参数相同和位置相同的情况下，对文丘里管喉部结构不同的3种复合结构空化器的空化流场进行了数值模拟，通过对压力分布和空泡体积分数的分析，得出以下结论。

1)对于3种结构形式的孔板和文丘里管复合结构空化器，平滑型和渐缓型空化器空化主要发生在喉部锥角扩散段，急剧型空化器发生在整个喉部。

2)文丘里管喉部结构对空化器空化效果有着较大的影响，在孔板结构参数和安放位置相同的情况下，喉部的缩颈处和扩颈处越急剧，压力变化幅度越大，空化越强，空化效果越好。3种不同结构形式的空化器中急剧型的空化器效果最好。

[1]Yu H, Li D, Roberts R C, et al. Design, fabrication and testing of a micro-Venturi tube for fluid manipulation in a microfluidic system[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2012，3(22)：0960-1317.

[2]Uesawa S, Kaneko A, Nomura Y, et al.Study on bubble breakup behavior in a venture tube [J]. Multiphase Science and Technology ,2012,24(3):257-277.

[3]王智勇，张晓冬，杨会中.文丘里管中空化流场的数值模拟[J].计算机与应用化学,2006，23(10):939-942.

[4]章昱, 李育敏, 计建炳. 孔板水力空化装置的数值模拟[J]. 化学反应工程与工艺, 2011,27(3):219-223.

[5]王海平, 袁德文, 何灿阳, 等. 基于湿蒸汽测量的文丘里管结构优化设计方法[J]. 核动力工程, 2013,34(3):137-139.

[6]王惠敏，乔慧琼，孙三祥.水力空化降离苯酚、二甲苯试验研究[J].西华大学学报：自然科学版，2010，29(3)：101-104.

[7]王福军. 计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2004：121-122.

[8]Hammit F G. Cavitation and Multiphase Flow Phenomena[R]. [s.l]：McGraw-Hill Book Co, 1980.

[9]王常斌, 王敏, 于远洋, 等. 文丘里管水力空化现象的CFD模拟[J]. 管道技术与设备, 2013(1):10-12.

[10]王永广, 赵连玉, 邓橙, 等. 基于孔板和文丘里管复合结构空化器的空化效果数值模拟[J]. 环境工程, 2012(S2):458-460.

[11]管金发, 邓松圣, 张攀锋, 等. 空化特性研究进展[J]. 科学技术与工程, 2011,11(27):6674-6680.

(编校：夏书林)

TheOptimizationDesignofOrificePlateandVenturi-tubeCompositeStructureofCavitator

ZENG Zhang-mei1， LIU Xiao-bing1*，LAN Wei2, HUANG Chang-jiu1， KE Qiang1， AN Man-yi1

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China；2.StateGridChongqingElectricPowerCompany,Chongqing404100China)

Based on the study of related hydraulic device cavitation machine, the cavitation effect of Orifice plate and venturi-tube composite structure was optimized through the simulation which provided in the ANSYS - CFX software. With the same structural parameters and the same place of Orifice plate, the effect of three different forms of Venturi- tube throat structure on the cavitation was analyzed through the numerical simulation of cavitating flow . Through analysis of the pressure distribution and the vapor volume fraction on cavitation flow field, we obtained better structure of cavitation. The results showed that the structure of Venturi-tube throat had an important effect on cavitation. Under the same boundary conditions, the sharp type structure of Venturi-tubethroat is optimal .

hydrodynamic cavitation ; vapor fraction ; numerical simulation; optimization

2015-02-03

国家自然科学基金(51279172)；西华大学研究生创新基金(ycjj2014169)。

：刘小兵(1965—)，男，教授，博士，主要研究方向为流体机械的设计和开发. E-mail:liuxb@mail.xhu.edu.cn.

TK72

：A

：1673-159X(2015)06-0092-04

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.06.019

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