旋转式空化射流发生器的数值模拟分析

＊张思琦 李福宝 霍英妲 王亚军

（沈阳工业大学化工装备学院 辽宁 111000）

空化现象是指流体在某一特定环境下流动时会形成空泡，从而破坏流体本身具有的流动连续性的现象。空泡的形成有两种情况，一是液体蒸汽形成了空泡，夹杂在流体中，随流体一起流动；二是当流体所受的压力、温度等发生变化时，也会有空泡从液体中分离出来[1]。空化发生过程就是空泡的产生、发展直至溃灭的过程[2]。

目前，有关研究人员对空化及内部流场数值模拟的研究有很多。李大尉等[3]基于FLUENT软件对原始叶型和改良叶型空化器在不同转速下的自然空化流场开展数值仿真计算。结果显示，改良叶型空化器产生的空泡尺寸更大，产生的自然空化更强；改良叶型在叶根处产生的空化效应较强，而原始叶型在叶尖处产生的空化效应更强。田素根等[4]采用CFD技术对涡旋泵在不同转角下的内部流场进行模拟，分析了不同工况下的泵内空化现象及其性能。结果表明保持涡旋泵排量不变，则泵的回转半径越大，其空化越严重。胡俊等[5]以不同头型回转体模型为研究对象，探究头型和肩部连接方式对初生空化数及空腔形态的影响。通过选取圆形、锥形及椭圆形系列头型的回转体模型，在不同空化数的工况下，对不同头部回转头部体空化流场进行数值模拟。结果显示空化腔的长度和厚度随空化数的减小而增大，头型回转体头部长度越短，空化数对空腔长度和厚度的影响越为显著。汪正阳等[6]为探究大型双吸式离心泵的内流场空化特性，对某大型双吸式离心泵内流场空化特性进行数值模拟。结果表明，利用CFD进行三维湍流数值模拟可有效反映出双吸式离心泵内流场的空化特性，数值模拟结果与试验结果较一致。于海涛等[7]利用FLUENT对双腔室自激振荡脉冲喷嘴进行空化射流数值模拟，分析腔长比、腔径比的变化对空化射流流场的影响。结果表明：当谐振腔腔长比为0.77、腔径比为2.6时，谐振腔内涡环结构对称性好，轴向含气率高，空化效果最好。综上所述，对旋转式空化射流发生器进行数值模拟是必要的。

本文基于FLUENT软件，对旋转式空化射流发生器进行了内部流场的数值模拟，并对模拟结果进行了分析。

1.数值模拟

为研究旋转式空化射流发生器的空化效果，即最大含气率，在使用FLUENT软件时，需要对发生器进行模型建立、网格划分和网格无关性验证。

(1)模型建立与网格划分

①模型建立

构建旋转式空化射流发生器三维模型如图1所示。其中，入口直径D1=40mm、出口直径D2=125mm、入口处叶片安放角β1=10°、出口处叶片安放角β2=20°、叶片包角φ=120°、叶片数z=5。

图1 旋转式空化射流发生器三维模型

②网格划分

由于旋转式空化射流发生器中叶轮是旋转结构，故在进行网格划分时需要对发生器的流体域以及旋转区流体域同时提取，否则旋转的叶轮将无法被定义。因结构化网格具有网格生成速度快、质量好、区域光滑且与实际模型更接近的优点，故本文采用结构化网格进行划分，网格尺寸为1mm，划分后约有40万个网格，网格平均质量为9.152，网格质量较好，可进行模拟计算。图2为流体域提取及网格划分图。

图2 流体域提取及网格划分

③网格无关性检验

本文在进行模拟的过程中，主要分析旋转式空化射流发生器的空化性能，而液体的最大含气率是空化性能最重要的影响因素，所以本文通过分析不同网格数量下，发生器内部最大含气率的曲线图，来对网格无关性进行验证。图3为不同网格数量下最大含气率的曲线图。

图3 不同网格数量下最大含气率曲线图

由图3可知，当划分的网格数量在20万～40万之间时，随着网格数量的增加，液体的最大含气率增长速度较快。当网格数量达到40万以后，可以发现，即使增加网格数量，液体的最大含气率变化幅度也相对较小，网格数在40万～60万时，最大含气率变化曲线相对平缓，故为了节省计算时间，最终采用40万数量的网格。

2.模拟结果与分析

(1)含气率分布云图

当入口压力选择设定为0.6MPa，出口压力设为101325Pa时，叶轮的含气率分布云图如图4所示。由图可知，最大含气率在叶轮出口处叶片背部达到最大，最大含气率为0.904，故旋转式空化射流发生器空化发生的位置主要分布在入口处叶片的背面。

图4 旋转式空化射流发生器含气率分布图

(2)压力分布云图

图5为旋转式空化射流发生器压力分布图，从图中可知，在流场内，负压区主要发生在叶片背面中部位置，该区域最低压力为-1.417×105Pa。同时，在叶轮出口边缘处，也存在较大的负压区。通过对比图4和图5，可知负压区较大的位置和空化发生的位置基本相同。

图5 旋转式空化射流发生器压力分布图

(3)速度分布云图

如图6（a）（b）为旋转式空化射流发生器内部流体的速度分布云图。由图可知，流体在叶轮中心处、叶片背面从中部到出口边缘处的速度较小，最小速度发生在叶片背面中部以及出口贴近壁面处，最大速度发生在在叶片正面中部以及出口贴近壁面处，最大值为31.27m/s。而当液体流经两叶片中间区域时，其速度开始减小，速度大小在4.169～10.423m/s之间。当液体从叶片正面运动到叶片背面时，流体速度在逐渐减小，且分界明显。

图6 速度分布云图

如图6（c）为腔内流体的相对速度分布云图。由图可知，在叶轮进口处位置出现负方向的相对速度，最大负相对速度可达15.812m/s。其原因是流体在叶轮内部流动过程中，叶片对流体会产生阻碍，故出现负的相对速度。随着半径的增大，流体流动区域逐渐增大，叶片对流体的阻力不断减小，负相对速度逐渐减小。叶轮内部的相对速度分布由叶轮内径向外径由负到正变化，整体逐渐增大，其中最大相对速度大部分出现在靠近叶片正面位置以及叶轮外径边缘区域，大小为4.636m/s。

3.结论

（1）旋转式空化射流发生器空化性能较好，最大含气率在叶轮入口处叶片背部达到最大，最大含气率为0.904，故旋转式空化射流发生器空化发生的位置主要分布在入口处叶片的背面。此时的最大负压为-1.417×105Pa，最大速度为31.27m/s。

（2）负压区主要发生在叶片背面中部位置，该区域最低压力为-1.417×105Pa。同时，在叶轮出口边缘处，也存在较大的负压区，负压区较大的位置和空化发生的位置基本相同。

（3）流体在叶轮中心处、叶片背面从中部到出口边缘处的速度较小，最小速度发生在叶片背面中部以及出口贴近壁面处，最大速度发生在叶片正面中部以及出口贴近壁面处，最大值为31.27m/s。腔内流体的相对速度分布随着流动半径的增大而逐渐增大，最大相对速度发生在叶片正面靠近出口处，最大值为4.636m/s。