旋转空化器定-转子间运动对内孔空化的影响

摘 要：为研究定-转子间运动对旋转空化器内孔空化的影响，通过模型简化，确定运动参数为定-转子间隙δ和转子转速n。通过建立几何建模，完成间隙δ及转子内孔流体域模型并进行网格无关性验证，给出内孔瞬态空化模型。以气相体积为空化表征标准数值模拟不同间隙δ下气相云图的瞬态变化，得到间隙δ对内孔空化的影响规律：间隙δ越小，气相体积越大，10mm间隙优于15mm和20mm。数值模拟得到转速n对气相体积的影响规律：转速n增加，气相体积增加，³⁰⁰⁰r/min优于²⁵⁰⁰r/min和²⁰⁰⁰r/min；实验中根据变频调速得到转速对纯水溶液电导率的影响规律：转速n增加，纯水溶液电导率增加，⁹⁰⁰⁰r/min优于³⁰⁰⁰r/min。为内孔式旋转空化器的结构参数优化及实际应用提供参考。

关键词：内孔空化；旋转空化器；定-转子间运动；定-转子间隙；转子转速

DOI：10.15938/j.jhust.2024.05.013

中图分类号： O427.4

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2024）05-0114-07

Influence of Stator-rotor Movement on Inner Hole Cavitation of Rotary Cavitator

LI Dawei1， JING Tao1， HONG Jian2， ZHAO Mengshi1，

PEI Yu1， YAO Shunyu1， YAO Liming1， HAN Guihua3

（1.Institute of Advanced Technology， Heilongjiang Academy of Sciences， Harbin 150020， China;

2.MOONS’ ELECTRIC （TAICANG） CO.， LTD.， Suzhou 215400， China;

3.School of Mechanical and Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：In order to study the influence of the stator-rotor movement on the inner hole cavitation of the rotary cavitator， the parameters were determined as stator-rotor clearance δ and rotor rotational speed n through model simplification. By establishing the geometric modeling， the gap δ and rotor inner hole fluid domain model was completed， and the mesh independence verification was carried out， and the inner hole transient cavitation model was given. The transient changes of gas contour under different gap δ were simulated by using gas volume fraction as the cavitation characterization standard， and the influence of gap δ on inner hole cavitation was obtained： the smaller the gap δ， the larger the gas volume fraction， and the 10mm gap was better than 15mm and 20mm. The influence of rotational speed n on gas volume fraction was obtained by numerical simulation： the larger the speed n， the larger the gas volume fraction， and the ³⁰⁰⁰r/min was better than ²⁵⁰⁰r/min and ²⁰⁰⁰r/min. In the experiment， according to the frequency conversion speed regulation， the influence of speed n on the conductivity of pure aqueous solution was obtained： the speed n increased， the conductivity of the pure aqueous solution increased， and ⁹⁰⁰⁰r/min was better than ³⁰⁰⁰r/min. The reference for the optimization of structural parameters and practical application of inner hole rotary cavitator are provided.

Keywords：inner hole cavitation; rotary cavitators; stator-rotor movement; stator-rotor clearance; rotor speed

0 引 言

水力空化作为一种新型高效处理技术被广泛应用^［1-3］，其中旋转空化器由于其具有提高空化强度和空化产量的优势，得到日益广泛的关注^［4-7］。

目前旋转空化器空化机理方面的研究相对较少。旋转齿筒式空化器的空化机理为流体经过静齿筒时受到的剪切力和转筒高速旋转产生的惯性离心力共同作用空化，从而在盲孔中产生空化^［8-10］。旋转齿盘式空化器空化机理为一部分流体受到动齿盘高速旋转时产生的惯性离心力作用在齿盘内圈产生空化，另一部分流体进入定齿间时受到剪切力作用产生空化^［11-12］。

因此，对于内孔式旋转空化器来说，既有转子与定子间旋转运动（剪切作用）又有旋转转子上盲孔内液体所受的离心运动（离心力作用），研究定-转子间隙对内孔式旋转空化器内孔的空化效果，对探究内孔式旋转空化器的空化机理有着重要作用。本文针对内孔式旋转空化器从剪切作用的角度研究与定-转子间旋转运动对内孔空化的影响，为内孔式旋转空化器的机理研究、结构参数优化及实际应用提供参考。

1 内孔式旋转空化器建模

1.1 几何建模

内孔式旋转空化器几何模型如图1所示，转子上有均布的内孔（盲孔），定子进、出水口直径为30mm，转子直径为150mm，定子直径设定为160～170mm，旨在研究定-转子间隙对内孔空化的影响。

1.2 数值模拟模型

1.2.1 网格质量和数量无关性验证

使用ICEM对内孔式旋转空化器的流体域进行网格划分，在网格划分时定义了转子域和定子域，然后对这两部分进行网格划分并对网格进行加密，网格模型如图2所示。并在Fluent中合成整体流体域。最后进行网格质量与角度检查，一般认为网格质量和网格角度达到0.7和18 以上的网格符合要求，数值模拟所用的网格满足网格质量要求。

随后进行网格数量无关性验证，三种网格数目的模型仿真结果如表1所示。

由表1可知，随着网格数目的增多，流量Q和出口速度v，误差逐渐减小；网格2.5万增加到4万，误差减小1.7％左右。可以认为计算结果已经与网格数量关系不大，因此选择单个内孔网格数为2.5万的网格进行计算。

1.2.2 空化模型

1）空化是一种复杂的多相湍流运动，空化过程中的汽相与液相不断地进行着动态的相互作用，选择多相流模型为Mixture模型，各相参数主要流体为水和水蒸气。

2）采用雷诺数平均模拟数值计算湍流方法，选择Realizablek-ε模型作为数值模拟的湍流模型，湍流强度设为2%。

3）选择基于压力求解，入口压力为1MPa，出口为0.1MPa。

4）转子转速在¹⁰⁰⁰～³⁰⁰⁰r/min之间，旋转周期为0.02～0.06s，故取步长为0.01s。

5）时间类型为瞬态。

2 定-转子间隙对内孔空化的影响

将旋转空化器定子与转子间的运动简化为两旋转圆筒间的相对运动，如图3（a）所示，转子角速度ω1，（ω1=2πn，n为转速），转子半径r1，定子半径r2，定-转子间隙δ为δ=r2-r1。间隙δ对内孔空化的影响即为剪切力对旋转空化器压力变化的影响，如图3（b）为定转子间隙δ为15mm的内孔结构示意图。

在入口压力1MPa，出口压力为0.1MPa，转速²⁰⁰⁰r/min情况下，保持孔径2.5mm，孔深20mm，单排孔数为20，孔排数为1时，改变与定-转子间隙δ，研究定-转子间隙δ对内孔空化的影响。

在数值模拟过程中发现当定-转子间隙δ大于20mm时几乎不产生空化，当定-转子间隙δ小于10mm时空化效果变化不明显，因此选择定-转子间隙δ分别为10mm、15mm、20mm，模拟得到的气含率云图如图4～6所示。 气相体积与定-转子间隙δ的关系如图7所示。

由图7可知，随着时间的增加，气相体积呈先增大后平稳的趋势。通过定-转子间隙为10mm得到的气相体积明显高于δ=15mm和δ=20mm的气相体积。说明随着定-转子间隙的减小，内孔式旋转空化器的空化效果越来越好。这是因为定-转子间隙越小，转子与定子间的剪切力越强，导致更大的压降，这一点通过压力云图证明，如图8～10 所示。

由图8～10可知，空化都发生于转子上内孔中，随着时间的增大逐渐趋于稳定，随着定-转子间隙δ的增大，孔中的负压区域减小，空化发生区域减小，空化效果随着定-转子间隙δ的增大而减小。

3 转子转速对内孔空化的影响

图3中转子转速n对内孔空化的影响即为剪切速率对旋转空化器压力变化的影响。

在初始参数不变的情况下（入口压力1MPa，出口压力为0.1MPa，孔径12.5mm，孔深20mm，转子与定子间隙20mm，单排孔数为20，孔排数为1，改变转子转速n。

在数值模拟过程中发现转速n小于²⁰⁰⁰r/min时空化区域几乎不产生空化，而当转速n超过³⁰⁰⁰r/min时空化区域面积增加不明显，因此选用²⁰⁰⁰r/min，³⁰⁰⁰r/min来进行模拟，结果如图11～12所示。

由图11～12可知，空化都发生于转子内孔中，随着时间的增大逐渐趋于稳定，内孔中的空化发生区域面积随着转速的增大而增大。

通过Fluent软件计算出转速n与气体体积的关系如表2所示。

表2中转速³⁰⁰⁰r/min对应的气相体积远大于转速²⁰⁰⁰r/min，说明在限定范围内，随着转速的增大，转子旋转产生的剪切力、离心力就越大，使得达到饱和蒸汽压的区域增大，空化效果越好。

4 实 验

目前空化实验采用测定溶液浓度、空化产热、杀菌及测定电导率的方法来表征空化效果，例如，Wang X等^［13］研究了射流空化与H2O2联合降解水溶液中的罗丹明B ；韩桂华等 ^［14］研究孔板空化器对亚甲基蓝溶液浓度的影响；Badve M P等^［15］通过紫外-可见分光光度计测定了碘的吸光度 ； Kwon W C等^［16］研究了旋转空化器的进口流动条件与产热率的关系 ；Sun X等^［17］使用旋转空化器处理大肠杆菌；王成会和李小娜等^［18-19］研究超声空化对溶液电导率的影响 。借鉴上述方法，本实验室采用检测空化过程中水溶液的电导率的方式，取得了好的效果，陈德裕做了文丘里管空化与纯水溶液电导率的实验，赵志伟分析了纯水溶液电导率与孔板空化的实验规律 ^［20-21］，本次旋转空化器空化实验采用测定溶液电导率的方式。

前述模拟中结构参数变化（定-转子间隙）在实验样机确定情况下无法实验，基于同样模拟方法，可以实现以转速为变量进行纯水溶液的空化实验，通过纯水溶液电导率随着转速的变化得到空化效果与转速的关系，以验证数值模拟中转速与气相体积分数的关系。

实验原理及装置如图13所示，实验采用变频调速原理控制电机及空化器转子转速，实时采集水样，冷却到室温后（消除温度对电导率的影响）检测水样的电导率。

实验中根据调频器选择转速^{3000r、6000r、9000r，}每个水溶液电导率测量5次然后取平均值，得到各个时间下转速与电导率及空化效果的关系如表3所示。

由表3可得：

1）随着转速增加，水样的电导率增加，空化效果增强，与数值模拟得到的趋势一致。但是实验中的转速与数值模拟的转速，有一定的差别，说明：数值模拟作为定性分析的基础，做定量分析有一定的局限性。

2）转速3（1min时）的电导率与转速2（3min）电导率相当，转速3（2min时）的电导率与转速2^（5min）电导率相当。因此，如果以电导率值为空化效果衡量标准，那么可以采取高转速快速达成，也可以采用低转速多次循环达到同样的标准。

3）可以看出转速3电导率上升值大于转速2和转速1，这是因为转速越快，空化越剧烈，电导率上升的越快。

5 结 论

1）本文将旋转空化器定子与转子间的运动简化为两旋转圆筒间的相对运动，定-转子间的剪切作用通过定-转子间隙δ和转子转速n来体现，二者对内孔空化的影响即为剪切力、剪切速率对旋转空化器压力变化的影响。

2）定-转子间隙δ=10mm得到的气相体积分数明显高于δ=15mm和δ=20mm。说明随着定-转子间隙的减小，转子与定子间的剪切力越强，内孔空化的空化效果越好。

3）随着转速n增加，气相体积分数增加，水溶液的电导率增加，空化效果增强，数值模拟与空化实验得到的趋势一致。

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（编辑：温泽宇）

基金项目： 黑龙江省自然科学基金（E2016040）；国家自然科学基金（51375123）；

黑龙江省科学院重大科技成果转化项目（ZDCG2024 GJS01）.

作者简介：李大尉（1982—），男，硕士，副研究员；

经 韬（1977—），男，副研究员.

通信作者：韩桂华（1972—），女，博士，副教授，硕士研究生导师，E-mail：hanguihua99@hrbust.edu.cn.