短程射流共点交汇对撞阀设计与破碎能力检测

张绍英 吴 雪 刘 斌 郭 华

(1.中国农业大学工学院， 北京 100083； 2.北京工商大学人工智能学院， 北京 100048；3.廊坊通用机械制造有限公司， 廊坊 065001)

0 引言

高压射流破碎可产生强烈的剪切、摩擦、拉伸、碰撞作用，尤其能产生百兆帕级的水力空化冲击能[1-5]，是制备纳米级乳液和悬液的有效方法[6]。

高压射流破碎中的能量转化部件为射流阀。为了提升速度梯度，强化剪切、碰撞等作用，射流阀常采用流道结构固定的微孔阀，多见直孔阀、折向孔阀和对撞阀3种结构形式。相同压力下，直孔阀的液流速度梯度大、剪切作用强；折向孔阀的碰撞、湍流作用显著；对撞阀则是强化了射流撞击作用[7]。3种射流阀在结构及动力参数上均未对水力空化进行合理规划、有效控制和高效利用，对强度较高的硬、韧性颗粒的破碎能力弱。并且，出阀孔的液流中无效动能残留可达系统输入总能量的40%～60%。因此，本文通过射流阀的几何和流体动力学结构优化设计，探索强化水力空化冲击能、减少无效能量产生的方法。

1 短程射流共点交汇对撞阀技术方案

水力空化发生时可形成稳定空泡(蒸汽泡)和非稳定空泡(真空泡)。蒸汽泡主要由温度、压力变化导致的液气相转换产生；真空泡则由流速骤升导致的流体连续性破坏产生。空泡的溃灭一般都伴随压力的升高以及流速、温度的降低[8-11]。

根据水力空化经典理论，空化数σ是判定水力空化的初生条件，而流体在某处的压力低于空化初生临界压力是稳定空泡在该处产生的基本条件。空化数计算公式为

(1)

式中p∞——稳定流场中某处的压力

v∞——稳定流场中某处的速度

ρ——液体密度

pv——饱和蒸汽压

当边壁结构、流体构相比较复杂时，用空化数及空化初生临界压力判断蒸汽泡产生的离散度大，以流体在“某处压力低于该处的饱和蒸汽压”作为蒸汽泡产生的基本条件则更具实用性。真空泡的形成条件复杂，尤其是在多组分高速液流瞬间通过微孔时尤为复杂。但原则上，流道内的速度梯度越高，形成真空泡的可能性越大；在流动方向上流道内速度不降、压力不升，则溃灭的可能性较小。

理论上，蒸汽泡产生量多，溃灭冲击能总量也多。但当蒸汽泡存量过多且不能同时溃灭时，溃灭冲击能易被周围的蒸汽泡吸收产生能量自噬。大量可伸缩性蒸汽泡的存在，既不利于真空泡的形成，又会吸收真空泡溃灭的冲击能。另外，根据射流阀的结构和流体运动特点，为了获得高能量密度的溃灭冲击能，既要促进真空泡的形成、抑制蒸汽泡的产生，又需控制空泡的集中溃灭，以利于提升能量级别，汇聚能量密度。

为了进一步强化射流阀的水力空化作用，提高能量量级和能效，提出了一种短程射流共点交汇对撞阀技术方案(图1)[12]。其技术要点及预期效果包括：

(1)在阀孔内造就速度渐升的高速液流，促进真空泡形成。

(2)通过缩短射流的管程，抑制蒸汽泡的发育。

(3)利用多股射流共点交汇形成的“水力靶板”效应，使液流降速、升压，实现射流中空泡的集中溃灭，产生冲击能汇聚。

(4)利用射流对撞，将出阀孔高速射流中的无效动能进一步转化为冲击破碎能，提高能效。

短程射流共点交汇对撞阀(图1)由圆盘状的盖片和槽片叠合构成，利用封盖阀槽形成共点交汇的多个阀孔。载有物料的高压液流经由进料孔注入分流环槽，并由分流环槽分别进入各阀孔，在各阀孔中形成多股高速射流共点交汇后由汇流孔排出。

高压液流在阀孔进口及阀孔内的短程、急剧加速过程有助于真空泡的形成，而在交汇点处的集中溃灭有助于溃灭冲击能的汇聚。

对于短程射流共点交汇对撞阀而言，液流压力是破碎能产生的基础动力，而射流阀构造及几何参数配置决定着压力能转化为破碎能的效率。压力越高，转化的各种破碎能量的量级越高。在满足技术经济性的前提下，为保证超微破碎效果和能效，短程射流共点交汇对撞阀的作业压力宜在100 MPa以上。

2 短程射流共点交汇对撞阀关键结构参数

在液料构成及操作参数不变时，与破碎能力相关的结构参数主要有阀孔径d、孔深L以及出口到水力靶板的距离S(图2)。

2.1 阀孔径d

d的确定，既要保证破碎能转化效率，又要兼顾物料的通过性。阀孔径越小，产生的破碎作用越强，而大孔径则会降低径向速度梯度，产生无效流量。射流破碎前，颗粒物料一般进行预微粉碎处理。为与预破碎对接，并保证200目以下颗粒全部通过，应使d≥75 μm。

2.2 阀孔深L

L直接与促进真空泡的形成、抑制蒸汽泡的发育有关。空泡的生命周期包括初生、聚并和膨胀、收缩、溃灭阶段，整个生命周期仅为数十微秒[13]。为避免空泡在阀孔内溃灭，L的确定原则是使液流流经阀孔的时间短于空泡的生命周期。依据上述原则确定L时，还需兼顾阀孔内液流流速、压力以及d。另外，阀孔是由封盖阀槽形成，为形成接合面处的密封带，L取值应大于并接近0.5 mm，作业压力越高L宜越大。

2.3 出口到水力靶板的距离S

空泡充分发育并能产生撞击压力脉冲时，存在与压力无关、仅与d和S有关的无因次最优喷距(S/d为8～15)[14]。由于出阀孔后的高速射流存在明显的散射，为保证共点交汇和空泡集中溃灭，在无因次最优喷距范围内，S/d的取值以偏低为宜。

2.4 短程射流共点交汇对撞阀模拟

高压射流破碎处理的物料可为液-液、液-胶和液-固混合态，流场内状态复杂，而空化效应进一步加剧了流态的复杂程度。另外，水力空化不仅与温度、压力和流速3个标志性参数相关，还受流体粘度、表面张力、杂质种类及含量、边壁状态等多重因素影响[2-3]。水力空化发生时，空泡的生成、生长及溃灭仅持续数十微秒[13]。因此，射流破碎过程中的水力空化是影响因素多、关联关系极其复杂的瞬间过程，通过理论解析或仪器监测极其困难。目前，常利用计算流体动力学(Computational fluid dynamics， CFD)[15-20]和间接现象检测[21-24]对空化的发生进行数值模拟和间接评判。

参照关键结构参数的确定依据及选值限制条件，确定d=75 μm；S分别为0.5、1.0、2.0 mm；压力分别为100、200、300 MPa后，确定了图2中虚线框标识的计算域(图3)。

应用Fluent数值分析软件，采用标准k-ε湍流模型，基本控制方程和湍流模型方程为[9]

(2)

(3)

(4)

式中U——速度矢量，m/s

p′——流体微元体上压力，Pa

μ——动态粘度，Pa·s

μeff——有效粘度，Pa·s

k——湍动能，m2/s2

ε——湍动耗散率，m2/s3

Cμ——常数

⊗——张量积运算符号

对射流阀孔内及进、出口附近区域的压力和速度分布进行了模拟(图4)，以考察阀孔内压力、速度变化，为短程射流共点交汇对撞阀的阀孔结构和操作压力匹配提供理论参照。

由图4可见，阀孔内存在大面积高速(5.5×102～1.2×103m/s)流区域，表明进口至出口液流加速显著，具备促进真空泡产生的基础条件。各种参数配置下，在距出口0.5 mm以外区域流速快速下降、流束明显散射。

另外，由压力云图可见，阀孔内压力均低于一般作业温度(20～80℃)下的饱和蒸汽压，故应尽量减小L，以避免蒸汽泡在阀孔内的发育、溃灭[13]。计算发现，当L<1.0 mm时，液流通过阀孔的时间可控制在2×10-6s，远低于蒸汽泡的生命周期。

综上分析，短程射流共点交汇对撞阀整体技术方案中的短流道配置，存在促进真空泡形成、抑制蒸汽泡发育的可能性。S的取值控制在0.5 mm附近，即可使含有真空泡的多股射流共点交汇、集中溃灭，在交汇处汇聚微爆冲击能。

由CFD模拟的短程射流共点交汇对撞阀阀孔及进、出口附近的压力及速度场，仅分布在φ3 mm×0.1 mm的狭小空间内，阀出口外0.5 mm处即为交汇对撞点，在不改变阀结构和保证密封性的前提下，已无传感器的布置空间，故未能对CFD模拟结果进行直接检测。

3 破碎效果验证

依据关键参数确定依据，以NCJJ-0.2/200型射流破碎机(廊坊通用机械制造有限公司，操作压力0～200 MPa，最大处理量200 L/h)为试验平台(图5a)，选择、确定了一组用于微晶纤维素超微细化的阀结构(图5b)和运行参数(6槽，d=120 μm，L=0.9 mm，S=0.75 mm)，对短程射流共点交汇对撞阀技术方案的有效性进行了试验验证，并与试验平台上配备的直孔阀(3孔，d=200 μm，L=1.5 mm)的水力空化及破碎性能进行了比较。

3.1 材料与方法

3.1.1材料

微晶纤维素(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)、亚甲基蓝(C16H18CIN3S·3H2O，相对分子量373.90，分析纯，福晨(天津)化学试剂有限公司，亚甲基蓝质量分数98.5%以上)、蒸馏水、20℃无离子水。

3.1.2仪器与方法

(1)亚甲基蓝(MB)自由基检测[21]：UVmini-11240型紫外-可见分光光度仪(日本岛津公司)。波长范围：190～1 100 nm； 波长正确度: ±1 nm；基线平直度：±0.010 Abs。亚甲基蓝浓度为8 μmol/L。

(2)破碎效果检测：Phenom ProX CeB6型飞纳台式扫描电镜(荷兰Phenom-World公司)。上样质量分数0.02%、导电胶承托、晾干喷金。

3.2 试验结果与分析

3.2.1强化水力空化效果观察及检测

图6为8 μmol/L亚甲基蓝溶液原样以及150 MPa压力下分别通过直孔阀和短程射流共点交汇对撞阀后的褪色效果。由图6可见，通过两种阀后的亚甲基蓝溶液均有褪色，表明处理过程有羟自由基产生。短程射流共点交汇对撞阀的褪色效果优于直孔阀，表明强化水力空化措施有效。

用亚甲基蓝自由基检测方法[21]对两种射流阀的空化效果进行了量化检测，回归标定出的标准曲线方程为

A=0.029 4x+0.039 4

(5)

式中A——亚甲基蓝溶液664 nm处的吸光度

x——亚甲基蓝溶液浓度，μmol/L

羟自由基捕获量计算公式为

C·OH=(A1-A2)/0.029 4

(6)

式中C·OH——羟自由基捕获量，μmol/L

A1——8 μmol/L亚甲基蓝溶液在664 nm处的吸光度

A2——经过射流阀后亚甲基蓝溶液在664 nm处的吸光度

由式(6)计算出的羟自由基捕获量见表1。与直孔阀相比，采用水力空化强化措施后的短程射流共点交汇对撞阀的羟自由基捕获量提升了41%。

表1 两种射流阀处理后样品中的羟自由基捕获量Tab.1 Yield of ·OH by different jet nozzles

试验时发现，在压力大于100 MPa时，液流经过短程射流共点交汇对撞阀时可产生强烈的水激振动，每次过阀后料温升高20～22℃，较直孔阀温升提高约10℃。扣除温升能耗后，短程射流共点交汇对撞阀可将出阀口射流中无效动能的60%～80%转化为参与破碎的有效能。

3.2.2对微晶纤维素超微细化效果

在试验压力150 MPa时，质量分数1.5%的微晶纤维素悬液分别由直孔阀和短程射流共点交汇对撞阀处理3次后的外观形态见图7。

由图7可见，射流破碎后原直径20 μm的棒状微晶纤维素的整体结构已被碎解，并暴露出大量直径约数十纳米的细纤束。与直孔阀相比，短程射流共点交汇对撞阀能得到更细的纤维束，且纤维束轮廓更模糊，产物也呈现准溶胶体系的形态。

根据纤维素构造理论[25]初步判断为，射流破碎不仅可破坏微晶纤维素的整体结构，并能进一步肢解直径25～30 nm的大原纤构造，而使直径约15 nm的微原纤构造暴露出来。上述现象印证了短程射流共点交汇对撞阀具有对硬韧性生物原料进行超微细化的能力。

3.2.3微晶纤维素悬液的形态变化

微晶纤维素分散在水中时表现为典型的悬液特征，停止扰动后可快速沉降，经射流破碎处理后，一是沉降速度变缓，二是浊相体积明显增加。破碎次数增加该现象加剧，且短程射流共点交汇对撞阀较直孔阀表现更加突出。

图8为经短程射流共点交汇对撞阀分别处理1、2、3次后的质量分数1.5%微晶纤维素悬液的沉降效果(静置时间72 h以上)。处理3次时，质量分数1.5%微晶纤维素悬液已呈现出准溶胶体系的特征，粘度、流动性、体系稳定性均显著增加。这表明微晶纤维素经短程射流共点交汇对撞阀处理后可释放纤束间的亲水组分，暴露出更多的无定型结构区域。

4 结论

(1)相同运行条件下，短程射流共点交汇对撞阀较直孔阀羟自由基捕获量提高了41%；证明强化水力空化措施促进了溃灭冲击能的产生。

(2)短程射流共点交汇对撞阀能将微晶纤维壳层破碎，并能进一步打开大原纤结构，剥离出直径约15 nm的微原纤，使典型悬液体系向准溶胶体系转变，可作为生物材料超微细化和改性处理的有效方法。

(3)短程射流共点交汇对撞阀可将出阀孔射流中无效动能的60%～80%转化为对撞破碎能。