新型文丘里微气泡发生器性能分析

2022-11-21谭启航

当代化工研究 2022年20期

＊谭启航

（大连理工大学化工学院辽宁 116024）

引言

液相工质中的微气泡具有比表面积大、上升速度慢、自身增压溶解等特点，气泡在破裂过程中会产生大量自由基，具有强大的吸附去污效果，在净水、矿物浮选、去除熔融盐反应器中的有害气体、去除芯片光刻胶等方面发挥重要作用。在工业应用中，气泡破碎的程度越大，产生的气泡越小或者数量越多，产生的微气泡所具有的净化效果也就越好[1]。比如在水产品养殖过程中，向水中输送氧气，当氧气泡直径越小时，气泡所产生的比表面积越大，越有利于气体的交换，也就越有利于水产品的生长。因此在微气泡发生器的研究中，减小装置产生微气泡的直径，不断提高气泡的破碎性能一直是对微气泡发生器最主要的研究内容。

微气泡发生器的种类多种多样，按气泡产生的位置大致可以分为内部气泡发生器（包括过滤式气泡发生器[2]、电解式气泡发生器[3]、文丘里式气泡发生器等）和外部气泡发生器（包括喷雾式气泡发生器[4]、旋流搅拌气泡发生器[5]等）。相关微气泡发生器的研究中，文丘里式微气泡发生器因为其结构简单，能量损失小等特点，一直是研究的热点。

国内外学者对文丘里式微气泡发生器进行了大量研究。刘建朝[6]对两种型式的文丘里式气泡发生器进行了数值模拟，通过使用不同湍流模型对两种型式气泡发生器进行三维模拟，发现三种湍流模型对内部流场的影响较小。Soubiran等[7]观察到了气泡在文丘里管内有明显的减速现象，但并未对其形成原因进行深入探究。Fujiwara[8]利用数值模拟的方法，对气泡在文丘里管内的具体变化情况进行了具体研究，发现主要破碎位置在扩张段。韩月阳等[9]通过数值模拟的方法，对气泡发生器进行了三维建模和网格划分，对气泡发生器内的流动特性进行了分析，发现气泡在气泡发生器碎化的原因主要受在扩张段压力的骤升、扩张段内的局部涡流和湍动能的影响。邵梓一[10]指出文丘里管内的压力梯度作用是气泡破碎的主要原因，为优化文丘里微气泡发生器性能研究扩宽了思路。

强化文丘里管内压力梯度作用，实现高性能的微气泡发生器一直是该领域现阶段的研究热点。项目组通过借鉴维多辛斯基立方曲线（维氏曲线）型对压力梯度的影响，研究了一种新型文丘里微气泡发生器——维氏曲线型文丘里微气泡发生器[11-12]。本文对维氏曲线型文丘里微气泡发生器的性能进行了研究，并与传统文丘里微气泡发生器[13]做对比，分析了该新型文丘里微气泡发生器内压力梯度的变化情况，以及强化压力梯度后对微气泡破碎作用的影响。

本文提出的新型文丘里微气泡发生器，能够有效强化文丘里管破碎气泡的性能，扩宽文丘里微气泡发生器结构优化的研究思路，同时该研究内容在促进微气泡发生器在工业中的广泛应用方面起到了积极作用。

1.数值计算方法

(1)控制方程

文丘里微气泡发生器内的控制方程包括连续性方程和伯努利方程[14-16]。

连续性方程：

式中，ρPm为混合相密度，kg/m3;

t为时间，s；

式中，k为代表相；

ρ i为第i相的密度，kg/m3；

α i为第i 相的体积分数；

vi为第i相的速度，m/s。

伯努利方程：

式中，Pm为混合相某点的压强，MPa；

ρ m为混合相密度，kg/m3；

v m为混合相的平均速度，m/s；

g为重力加速度，m/s2；

h为高度，m；

C为常数。

(2)数值模型

因为维氏曲线型文丘里微气泡发生器结构高度对称，所以可以采用如图1所示的二维模型进行分析。计算域采用结构化网格划分。入口边界条件采用速度入口，设置初值为1m/s；出口边界条件设置为压力出口，压力大小为1bar。湍流模型采用RNG k-ε湍流模型，多相流模型采用VOF模型，并且考虑相间作用力。压力和动量分别采用PRESTO！格式和二阶迎风格式离散。

2.计算结果与分析

(1)压力梯度分析

根据参考文献[8]中计算过程，设置入口进水速度为1m/s，待流场运行基本稳定之后，对比分析两种管内压力梯度的分布情况，两种文丘里管的管内压力分布如图2所示。

由图2可知，维式曲线文丘里管内压力梯度明显大于传统型的文丘里管内，从数值上看压力梯度提高了50%左右，这说明维式曲线能够有效强化文丘里管内的压力梯度，这会对气泡破碎起到可观的积极作用。

(2)单气泡运动分析

待单相水的流场稳定之后，在（10，0）位置patch一个粒径为Φ6mm的气泡，代表气泡在进水口位置注入，设置重力方向为X轴负方向。追踪观察气泡随时间的破碎情况，得到的气泡变化情况，见图3。

可以看到，在位置a以下，气泡在入口段平稳运动，只发生微小变形。气泡在快速通过收缩段后，直接进入扩张段，由于此处压力梯度变化较为剧烈，如位置b至c所示，气泡在这一过程中发生较大的拉伸变形，形态逐渐向子弹外形演变，气泡尾部开始快速凹陷，并在不断向前移动的过程中冲破气泡头部，发生第一次破碎。在气泡完全进入扩张段并向前运动时，值得注意的是，气泡在轴向方向上完成第一次破碎后，在新型文丘里管的中后部的位置，如位置d所示，气泡又发生了第二次破碎现象。

因此，通过维式曲线强化文丘里管内的压力梯度后，可以发现在相同操作工况下，与标准文丘里管相同的是，文丘里管内的气泡在压力增大过程中发生一次破碎现象；而与标准文丘里管不同的是，维氏曲线型文丘里管会产生更加明显的压力先增大后减小的现象，并且在压力减小过程中，发生二次破碎现象，证明维式曲线能够强化微气泡发生器对于气泡的破碎能力。

(3)多气泡运动分析

本节单相水流场计算稳定之后，在单气泡初始位置的径向方向上，patch多个相同大小的气泡，研究维式曲线文丘里管在不同入口截面含气率条件下的压力梯度变化情况，并通过压力梯度的变化情况分析了该文丘里管在含气率升高时性能的变化情况。不同入口截面含气率下管内压力梯度分布云图，如图4。

由图4可以看出，当入口截面含气率达到11.4%时，文丘里管内的压力梯度的等高线开始发生轻微变形，当含气率超过17%时，管内的压力梯度等高线变得十分紊乱。结合图5所示的入口截面含气率为17%时的气泡运动和破碎情况，可以看出，多个气泡在通过喉部之后，并没有产生较好的破碎现象，主要发生聚合现象。而小部分破碎的气泡附着在内壁附近，形成空化现象，影响流体流动，造成设备内部侵蚀，进而影响设备的正常工作。因此，想要保持维式曲线文丘里管良好的工作性能，需要将入口截面含气率控制在11.4%以下。