强化换热管内超声空化影响因素的数值研究*

张艾萍 杨 钊 夏荣涛 丁 权 张媛媛 何 莹

(东北电力大学能源与动力工程学院)

强化换热管内超声空化影响因素的数值研究*

张艾萍*杨 钊 夏荣涛 丁 权 张媛媛 何 莹

(东北电力大学能源与动力工程学院)

利用FLUENT软件对超声波空化效应的影响因素进行了数值模拟。采用二维管道，对比研究了不同长度处的声压及其汽含率后，得出结论：频率20kHz的超声波对圆管能够作用的最大长度在4.0～5.0m之间，最佳的空化长度为4.0m，当超过4.0m时由于超声波衰减严重，空化效果变差；当声强不断增大时，管内整体的汽含率却越来越小，此时的空化效果会变差。对于不同的管道类型，由于横纹管的几何结构更容易汽泡的产生，故而其超声空化效果也最佳。

强化换热管 数值模拟 汽含率 超声空化 传播特性 超声声强

当今工业发展过程中，节能减排越来越受到人们的重视，而在现代工业中广泛使用的各类强化换热管道中都存在严重的结垢问题，造成了能源的浪费。超声波防、除垢方法，做为一种安全、高效、无污染的除垢方法，受到了多行业的青睐。超声波空化除垢方法主要是利用了超声空化泡周期性的生成和破裂，在空化泡破裂时产生能量极高的冲击波，松动了强化换热管道上的沉积物，对换热面沉积污垢起到了剥蚀的作用，从而达到了超声波除垢的效果。

近些年来，国内外学者对超声波空化效应的研究越来越深入。李英等论述了超声波在石油化工中的应用及研究进展，介绍了超声波在石油化工行业中防、除垢的应用[1]。杨庆研究了空化泡形成的机理及其影响因素[2]。陈贤志研究了超声波传播性能以及在含垢水介质中的衰减[3]。张艾萍等研究了超声空化对场协同的影响，研究表明，不凝结性气体含量小的流体超声空化效果较好，并对比了不同不凝结性气体含量下的空化程度[4]。李林等利用Matlab进行编程，研究了超声波参数及流体介质参数对于单个空化泡的影响，低频率高功率对于超声空泡的产生比较有利；流粘度越小、不可压缩气体含量越高，空化效果越好[5～8]。刘秀梅等研究发现了不同表面张力、频率、气泡初始半径、环境压力对单个空化泡运动的影响[9]。随后Mzaue G等在船舶超声波除垢设备的研制中发现，超声波的不同频率对于船体外表的除垢效果不同，较低超声频率更有利于除垢效率的提高[10]。Doosti M R和Kargar R研究了超声波对水的处理方法，发现超声波在对水进行处理时，可以有效减少水中混浊悬垂颗粒、藻类并具有杀菌消毒的作用[11]。Koch C和Juschk M建立了空化模型并定量分析了超声波在容器除垢方面的影响因素[12,13]，结果表明，超声波频率，超声波换能器的电压以及流体温度，对超声空化具有一定的影响。刘振和王丽玲研究了超声波对碳酸钙污垢的影响，得出影响超声波除垢效果不仅有其自身的频率、强度等因素，还与溶液的种类、温度、浓度、pH等有关的结论，为了达到更好的超声波除垢效果，还需根据具体情况，确定超声波的参数[14]。虽然对超声波空化研究逐渐深入，但是诸多学者都只是研究了单个空化泡或者双泡的运动规律，而超声空化泡并不能完全表示超声波在实际工业应用中的空化效果[15]。

笔者主要从实际工业应用入手，对管道整体的空化效果进行了研究，计算研究了不同强化换热管在不同长度条件下，超声波空化效应宏观效果的优劣，以及管道结构和超声声强对超声空化的影响。为超声空化防、除垢在工业上进一步应用提供了理论依据。

1 超声空化数值计算

1.1几何模型

笔者对二维管道的物理模型进行了数值模拟，并在流体进入管道流动一段长度后加入超声波，主要研究了超声波入口后至管道出口范围内的空化效果。采用了管径25mm的圆管，其几何模型在坐标轴中为-5.05m到5.00m，总长度共计10.05m，其中超声波入口为管道入口后0.05m处。在计算过程中笔者同时监测了超声波入口处(-4.99m)以及其后每隔0.5m处的声压。

1.2数学模型

由Singhal A K等提出的空化模型其空泡动力学方程为[16]：

(1)

(2)

pc′=pv+0.39ρk

(3)

式中Cc、Ce——模型系数；

k——湍动能；

pc——饱和蒸汽压力；

S——表面张力系数；

ρl——水的密度。

连续性方程:

(4)

动量方程：

(5)

式中ρm——混合流密度；

ρv——蒸汽密度；

vdrv——气相漂移速度；

αc——蒸汽份额；

μm——混合流体的粘性系数。

1.3模型建立与初始条件设置

笔者采用了文献[17]中的模型，在研究管道的流动状态时选择了标准的k-e模型，近壁处理选择标准壁面函数 (Standard Wall Functions)。且由于在空化条件下，液态水会在超声波的作用下产生空化泡，因此选用了Mixture模型，并且加入全空化模型(Full Cavitation Model)以满足数值计算的需求。采用压力波描述超声波的加入[18]，并通过UDF(User-Defined Function)引入FLUENT之中。对于压力和速度耦合选择PISO格式，压力离散方式采用PRESTO！方式，蒸汽离散模式采用Quick模式，其他模式均采用二阶迎风方式，以提高计算精度。

在模型中对10m长的管道进行了数值计算，每隔0.5m设置一个监视点，对其声压以及汽含率进行监控。同时也对超声波入口处进行了监测，以了解超声波的衰减情况。笔者选择了工业中常用流体水作为换热介质，并选择其在20℃时的饱和蒸汽压力(2 367.8Pa)作为空化压力。超声波频率采用已知的最佳超声空化频率20kHz，计算步长为2.5×10-5s，计算迭代900步。

2 计算结果分析

2.1传播距离对超声空化的影响

分别在有无超声波的条件下，对10.05m的圆管进行了数值计算。得出了超声波在其传播过程中的衰减情况以及由于衰减对空化效果的影响。在对超声波入口处以及其后每0.5m处的监测点进行了数据分析后发现，管道在5.0m处，由于超声波的衰减几乎不再对空化效果有影响。为了更准确地表征管道长度对超声波空化的影响效果，采用了充分发展之后的一段数据，即采用了计算300～600步之间的数据。由于选用的监测点比较多，选择了超声波入口(0.06m)、1.0m、2.0m、3.0m、5.0m处的声压图像及其对应的汽含率的变化图像。

图1为模型中各点的声压变化以及其汽含率的变化。超声波入口处，声压以及汽含率的变化都比较剧烈，随着位置的向后移动，超声波也随之衰减，各点的声压变化开始减弱。

a. 超声波入口处(0.06m)

b. 管道1.0m处

c. 管道2.0m处

d. 管道3.0m处

e. 管道4.0m处

f. 管道5.0m处

超声波在管道内传播过程中衰减的影响因素主要有以下几点：第一，由于超声波传播过程中，声束界面的逐渐扩大而引起的衰减；第二，由于存在热交换而导致的超声波热效应的热传导和豫驰吸收；第三，由于空化泡的存在而产生的散射衰减；第四，由于传播介质的粘性导致的粘滞性衰减。在这一系列因素的作用下，超声波逐渐衰减直至消失。

运用同样的几何和数学模型，在不加超声波的情况下，对圆形管道进行了数值计算。其计算结果与有超声波的对比结果如图2所示，可以看出，在5.0m处加超声波与不加超声波的压力几乎重合。从而可以判断在此处超声波的作用已经几乎不存在。因此在运用超声空化防、除垢时，应该在超声波入口后5.0m处或之前重新安装换能器，以增加超声波强度。从图1e中可以看出，在4.0m处超声波的衰减已经非常明显。此时超声波的作用开始明显减弱，空化效果也开始减弱。由于此时的声压和汽含率的变化都比较微弱，其对于超声空户防、除垢的作用效果也会变差，因此，换热器内的强化换热管道应尽量选择4.0m以下。

图2 有无超声波的压力对比

2.2超声波声强对空化效果的影响

通过改变不同的声强即改变不同的声压幅值，对超声波声强进行了数值模拟，从而得到声强对超声空化的影响。超声波声强与声压幅值之间的关系如下：

(6)

式中c——超声波在水中的传播速度，c=1 500m/s；

I——超声波声强；

P——声压幅值；

ρ——流体介质密度，ρ=1 000kg/m3。

笔者在研究不同超声波声强对空化效果的影响时，选择了超声波入口后0.5m处的一点(既考虑了取点不在超声波入口，又要保证在超声波衰减比较小的位置)，在改变不同的声强(1、5、15、25、35W/cm2)后通过计算得出：随着声强的增大，管内的汽含率不但没有增加反而减小，汽含率的大小反映了空泡的数量，这说明声强增大时，空化泡的数量会减少。同时可以发现，汽含率的变化周期会变短，也说明声强变大时，空化泡的运动变得剧烈。因此，并不是声强越高越有利于空化，在选择空化除垢时，应在满足空化除垢的条件下，合理选择声强，以达到防、除垢和节能的效果。

2.3强化换热管型对空化效果的影响

2.3.1空化泡的形成机理

研究发现，壁面上的凹槽、细小裂纹、裂穴等最容易成为汽化核心。这是由于：首先，在狭缝之中的液体受热比较多；其次，在这些狭缝之中容易残留不可压缩性气体，这种残留气体自然就成为了产生汽泡的核心。而当在强化换热管道内加入超声波之后，由于在狭缝之中形成反射，超声波的一些能量会转化为液体的热能和动能，降低了空化阈值从而使这些本来就容易形成汽泡的位置获得了更高的能量，汽泡在狭缝中更容易形成，最终增强了空化效果。

2.3.2强化换热管管型对空化的影响分析

分别对3.0m长的圆管、波纹管和横纹管进行了数值分析，横纹管、波纹管的具体参数如图3所示。在对3种管道进行了数值计算之后，其相应的汽含率积分数如图4所示。

从图4中可以看出，横纹管的汽含率最大，空化效果最佳。横纹管在管径变化之处其汽含率会有所增加，横纹管中圆管与横纹连接处其汽含率要比其他管道类型的同一位置略高。这主要是由于横纹管的结构中，有类似于狭缝的区域(图5)，故而更容易形成汽化核心，加入超声波之后加速了汽化核心的生长，形成空化泡。而波纹管管道结构为不断扩张和收缩管径，超声波在其中传播过程时衰减比较严重，加之管径周期性的扩压以及超声波振动过程中收缩相和膨胀相的周期性变化，即便生成空化泡也极容易在声压作用下破裂。而当压缩相与管道扩压重合之处，过大的压力既抑制了空化泡的生成、汽化核心的发展，又使已生成的空化泡溃灭消失，最终导致了空化效果变差。

图3 管道几何参数

图4 3.0m长不同换热管的汽含率积分数

图5 横纹管的局部放大图

3 结论

3.1超声波在换热管内传播过程中由于诸多因素导致不同程度的衰减，超声空化作用也受到了影响。对于超声空化除垢的换热管，超声波能够作用的最大长度在4.0～5.0m范围之内。最佳的空化长度为4.0m。在选用换热管道时应小于4.0m，或者应在管道中加超声波换能器，以满足防、除垢效果。

3.2随着声强的增加，汽含率变小，空化效果变差，而同时汽含率运动周期变短，空化运动剧烈。因此在使用超声波除垢时,声强的选择并不是越大越好。笔者选择15W/cm2的声强对于空化除垢更为有利。

3.3在横纹管内使用超声波除垢时，其空化效果更佳，因此在满足换热需求的条件下，应用了超声波除垢的换热器，应选择横纹管作为换热管道。

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NumericalSimulationofUltrasonicCavitationInfluenceFactorsinEnhancedHeatTransferTube

ZHANG Ai-ping, YANG Zhao, XIA Rong-tao, DING Quan, ZHANG Yuan-yuan, HE Ying
(CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

Through making use of FLUENT software, the ultrasonic cavitation influence factors were simulated; and having two-dimensional pipe adopted to study both sound pressure and mass quality at different lengths were implemented to show that the maximum length of the circular tube effected by 20kHz ultrasonic wave stays between 4.0～5.0m and optimal cavitation length is 4.0m; and when 4.0m is exceeded, the serious ultrasonic attenuation can be seen together with poor cavitation effect; and the increasing sound intensity

* 国家自然科学基金项目(51476025)，东北电力大学博士科研启动基金项目(BSJXM-201207)。

** 张艾萍，男，1968年2月生，教授。吉林省吉林市，132012。

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2015-06-26，

2015-07-15)

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