圆柱型空泡清洗器空化性能与来流速度关系的研究

裴 禹，李大尉，赵孟石，姚鸿宾，姚立明，王 悦,，马行行

(1.黑龙江省科学院;2. 哈尔滨工业大学)

0 引言

空化是液体中的压强下降到某一临界值后，液体内部原来含有的微小气泡(通称气核)在液体中迅速膨胀，形成含有水蒸气或其它气体的明显气泡的过程.空化现象可以在很多液体流动中发生，包括流体机械，水下航行体等[1].空化现象自从首次发现于英国一艘驱逐舰的螺旋桨上，就通常和负面效应联系在一起，例如在流体机械中，空化现象的出现会带来噪声、振动和过流部件的空蚀破坏等负面影响[2].然而，随着近年来对空化现象研究的不断深入，许多利用空化的技术被应用到工程实际当中，例如利用空化射流清洗物面(除污、除锈、除船体海洋生物)，利用空化杀灭水中浮游生物，利用空化射流分散海面溢油等[3].

在空化技术的上述应用中，关于清洗物面的研究开展地较晚，目前并不存在成熟的产品.为了从理论上阐明此类产品的工作原理与特性，该文对简单的清洗器空化性能进行了数值模拟研究，研究了圆柱型海下空泡清洗器在不同来流速度下的空化特性，分析了压力场分布，水蒸气体积分数分布.

1 求解域的网格划分及数值计算方法

图1是该文所研究的物理模型的网格划分.空化清洗器的工作原理为：在管道中镶入不同几何形状的钝体(该文为圆柱体)，空化器的左侧通入高速流体.当高速流体绕流钝体时，将在钝体后面形成空化区，空化区产生的小空泡射流到待清洗表面而溃灭，在表面形成高温高压的条件，从而达到表面清洗的目的.通常情形下，空化区越大，则清洗性能越好.影响空化清理器的空化性能的主要因素是来流速度，为此，该文研究了来流速度对空化器空化性能的影响.采用结构化网格对计算区域进行划分.由于采用了非平衡壁面函数对近壁面区域进行处理，因此在划分网格时不需要在壁面区加密，只需要把第一个内节点布置在对数律成立的区域内，即配置到湍流充分发展的区域.

图1 圆柱型空泡清洗器空化流动问题计算域，网格和边界条件

该文的数值计算在商业软件FLUENT上实施，具体设置如下：

(1)模型选择：多相流模型采用混合模型.空化模型采用Schnerr-Sauer模型，气泡数密度设定为默认值1×1013，饱和蒸汽压为103540 Pa.湍流模型选择Realizablek-ε模型，采用非平衡壁面函数处理近壁区域.

(2)流体物性参数设定:液态水物性参数的设定为：密度为998.2kg/m3，动力粘度为0.001003 Pags.气态水物性参数设定为：密度为0.02558 kg/m3，动力粘度为1.26×10-6Pags.

(3)边界条件设定：入口采用压力入口边界条件，设置为6个大气压值；出口采用压力出口边界条件，压力大小设定为2个大气压.计算域壁面和空泡清洗器面均设为无滑移壁面.具体设置如图1所示.

(4)数值计算方法选择:采用PISO算法对代数方程进行离散求解的具体实施方案为：压力采用PRESTO格式；动量方程、k方程、ε方程均采用二阶迎风格式；体积分数方程采用一阶迎风格式.

(5)收敛判断准则:计算域进出口质量流量近似相等，其差值不超过0.01%；监测的各残差值随着迭代次数的增加降到规定的数值以下；监测的水蒸气体积分数面积加权平均值最终维持在一个定值不变.

2 计算结果分析

图2是不同来流速度下空化器流场中的压力分布，可以发现，在钝体之前，来流压力基本不变，在钝体和管壁之间压力相对于进口压力明显减小.这一点符合伯努利方程的结论，由于钝体的存在，导致在该区域液体流速较高，而总能量一定，因此压力减小.在钝体的之后，流体的压力明显降低，但是整个钝体之后的低压区温度变化同样较小.同时可以发现，随着来流速度的增加，狭窄段的压力变化越靠后，来流压力更均匀.而通过不同速度下云图图例可以发现，钝体之后的压力随着速度的增加而增加.总之，空化器的压力场只是在钝体和管壁之间的狭窄区域具有较大变化，在钝体前后分布比较均匀，但是绕流之后由于流速的增加，压力场明显减小，压力的减小有助于空化的形成.

图2 不同水流喷射速度下流场压力云图

图3给出了不同水流喷射速度下空泡清洗器内水蒸气的体积分布.水蒸气体积分数越接近于1，则表明该区域空化程度越大.从图3可以发现，钝体之后很大的流动区域中水蒸气的体积分数超过了85%，因此可以近似认为这些区域发生了空化.而对比不同流速下的空泡大小可以发现，随着来流速度的增加，空泡体积增大，且都成类似梯形的几何构型.说明要得到更好的空化性能，需要提高来流速度.从空泡在圆柱体的附着位置上可以发现，整个空泡底端都附着在圆柱体表面，随着流动的发展，宽度逐渐减小.在空泡区之外，由于水蒸气的体积分数不为零，因此为气液亮相流，可以发现，随着流动的发展，两相流区域逐渐扩大.在清洗目标表面时，气液两相流中的气泡同样也会溃灭，造成局部高温高压的条件，加大了空化器的除污能力.

图3 不同水流喷射速度下水蒸气体积分数分布图

3 结论

空泡清理器是利用空化后的气液两相射流在遇到固体壁面时由于气泡的溃灭，在射流表面形成高温，高压，强烈微射流的环境的特点从而高效地清理污染表面，具有重要的潜在应用价值.该文模拟了空化器中钝体为柱体工况时空化性能与来流速度的关系.计算结果表明，随着来流速度的增加，流体的空化率明显增加，且钝体之后的空化区域也明显增加.表明流速是影响空化性能的主要因素之一，流速越大，空化性能越好.同时，不同速度下压力场的分析结果表明，流域中压力只在钝体和管壁之间的狭小区域具有较大变化，在钝体前后变化较小且钝体之前压力更大.该文的计算结果可以作为空化器设计过程的依据.