内孔式旋转空化器参数对空化效果的影响

韩桂华 朱宜鹏 洪健 李大尉

摘 要：通过控制变量法使用Fluent软件对内孔式旋转空化器进行数值模拟，得到结构参数（盲孔的孔径、孔深，单排盲孔个数）和操作参数（转速、入口压力）对空化效果的影响规律：转子盲孔孔径、孔深、单排盲孔个数增加，转速（2000～3000r/min）增加，则盲孔中气体体积增加；入口压力（1MPa～4MPa）增加，则盲孔中气体体积减小。实验中以纯水水样空化过程中温升和电导率的变化为空化效果检验标准，在3000～9000r/min随着转速的增加，温升和电导率显著增加，间接验证数值模拟的结果。本文为内孔式旋转空化器的结构参数优化提供参考。

关键词：内孔式；旋转空化器；空化器参数；空化效果；影响规律

DOI：10.15938/j.jhust.2024.01.005

中图分类号： O4274  文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2024）01-0044-06

Influence of Endocavitating Rotary Cavitator Parameters on Cavitation Effect

HAN Guihua1， ZHU Yipeng1， HONG Jian1， LI Dawei2

（1School of Mechanical and Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China;2Institute of Advanced Technology of HAS，Harbin 150020， China）

Abstract：In this paper， the numerical simulation of the rotary cavitator with internal bore using Fluent software was carried out by the control variable method， and the influence law of structural parameters （bore diameter and depth of blind bore， number of single row of blind bore） and operating parameters （rotational speed and inlet pressure） on the cavitation effect was obtained： the increase of bore diameter， bore depth and number of single row of blind bore of rotor， and the increase of rotational speed （2000～3000r/min）， the volume of gas in the blind bore If the inlet pressure （1MPa～4MPa） increases， the volume of gas in the blind bores decreases The temperature rise and conductivity changes of the cavitation process of pure water samples were used as the cavitation effect test criteria， and the temperature rise and conductivity increased significantly with the increase of rotational speed from 3000～9000r/min to indirectly verify the results of numerical simulation This paper provides a reference for the optimization of the structural parameters of the endocavitating rotary cavitator

Keywords：internal bore type; rotary cavitation; cavitation parameters; cavitation effect; influence law

0 引 言

水力空化作为一种新型高效处理技术被广泛应用于降解有机物、物理改性、强化化合物制备以及杀菌消毒等领域［1-4］。旋转空化器、孔板与文丘里管空化器是当今使用最为普遍的水力空化装置。旋转空化器的优势在于可以提高空化强度和空化产量，更好的应用于工业化生产［5］。

文献研究表明：组合仓涡流空化器狭缝宽度小于2mm时，有小孔的最低压力明显小于无小孔的最低压力［6］；旋转空化器空化效果随定子与转子距离的减小而增大［7］；空化器负压区域面积与出液管内径、旋流腔直径成反比［8］；不同孔结构［9］、齿形对空泡体积分数［10］、对空化率［11］有很大的影响。可见，结构参数对空化器的效果有影响。

而且叶片式旋转空化器入口压力［12］、盘式空化器入口压力和转速［13］、内孔式旋转空化器转速［14］，对空化效果有很大影响，袁惠新认为1400～9000r/min齿盘式空化区域面逐步积增大［15］，Xun Sun认为筒式旋转空化器转速2700～3300r/min时大肠杆菌的灭活率增大到百分之百［16］；葛新峰认为2000～3000r/min圆盘空化低压面积增大［17］；王宝娥认为叶片式旋转空化器350r/min时低压区域压力越低［18］。可见，转速、压力等操作参数对空化器效果有影响。

本文对内孔式旋转空化器的参数进行研究，为其技术应用推广提供依据。

1 旋转空化器的结构及数值模拟

11 旋转空化器的结构

内孔式旋转空化器，如图1所示，由定子与转子组成，转子上有均布的盲孔，定子进出口直径为30mm，定子直径为170mm，转子直径为150mm。

借鉴前述文献［6-18］，初步选择内孔式旋转空化器转子盲孔直径、孔深、单排孔个数作为研究对象，以转速、入口压力作为操作参数研究对象。

12 建立数值模拟模型

121 多相流模型和湍流模型

在空化过程中，两相流中的汽相与液相不断地进行着动态的相互作用。本文选择多相流模型为Mixture模型，采用雷诺数平均模拟数值计算湍流方法，空化是一种复杂的多相湍流运动，在内孔式旋转空化器内存在较为复杂剧烈的压力变化和旋转剪切力。综合考虑，选择Realizable的k-ε模型作为数值模拟的湍流模型。

122 网格质量和数量无关性验证

使用ICEM软件划分网格后，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07和18 以上的网格符合要求，如图2所示，本文所用网格满足网格质量要求。

网格数量无关性验证：为了找到合适的网格数量，通过改变盲孔的网格数，获得了3种网格数目不同的模型，结果如表1所示。

由表1可知，随着网格数目的增多，流量和出口速度，误差逐渐减小；在网格从25万增加到4万时趋于稳定，误差减小到1％左右。此时可以认为计算结果已经与网格数量关系不大，单个盲孔25万的网格已经能够达到网格无关，因此选择单个盲孔网格数为25万的网格进行计算。

123 边界条件和计算方法

1）求解类型选择基于压力求解，时间类型为瞬态。

2）各相参数主要流体为水和水蒸气。

3）进口和出口都采用压力边界。入口压力为1MPa，湍流强度设为2%。

4）步长设置：转子转速在1000～3000r/min之间，旋转周期为002～006s，故取步长为001s。

13 数值模拟结果分析

初始参数设置为转速2000r/min，入口压力1MPa，出口压力为01MPa，孔径为15mm，孔深20mm，单排孔数为20，孔排数为1。

通过Fluent软件对内孔式旋转空化器的瞬态气相云图进行分析，选择001s，005s，010s，015s，020s作为分析的时间节点。

图3所示各时间节点气相云图中，空化都发生于转子盲孔中，随数值模拟的时间推移，盲孔中的空化发生区域面积逐渐扩大，并在010s后逐渐趋于稳定。因此，采用盲孔内气体体积作为衡量空化效果的标准，稳态时间设为020s。

2 结构参数对空化效果的影响

21 盲孔孔径

在数值模拟过程中发现当孔径小于10mm时，空化效果不好观察，当孔径大于15mm时相邻两孔会产生干涉。因此，选择盲孔直径为10mm、125mm、15mm来研究盲孔孔径对空化效果的影响规律，结果如图4所示。

图4中气相体积从大到小依次为：孔径15mm、径125mm、孔径10mm。由图5中不同孔径下压力云图可知，随着孔径的增大，盲孔中的负压区域随之增大，空化发生区域在随之越容易接近孔口，因此孔径增大空化区域增大，气相体积增大，空化效果增强。

22 盲孔孔深

在数值模拟过程中发现当孔深小于5mm时，几乎不产生空化，当孔深大于20mm时相邻两孔会产生干涉，因此，选择盲孔孔深为5mm、10mm、15mm、20mm来研究盲孔孔深对空化效果的影响规律，结果如图6所示。

图6中气相体积从大到小依次为：孔深20mm、孔深15mm、孔深10mm、孔深5mm，说明随着孔深的增大，空化效果越好。这是因为孔深越大，转子旋转离心力作用区域越大，空化区域越大。

23 单排盲孔个数

为了更清晰的对比，选取盲孔单排孔数为2、10、20来研究其对内孔式旋转空化器空化效果的影响，结果如图7所示。

图7中气相体积从大到小依次为：单排孔数20、单排孔数10、单排孔数2，说明随着单排孔数的增多，可产生空化的区域增大，空化效果增大。

3 操作参数对空化效果的影响

通过控制变量法，对转速和入口压力进行数值模拟，以气体体积大小为标准，分析其对内孔式旋转空化器空化效果的影响规律。

31 转速

在初始参数不变的情况下，改变转子转速。

在数值模拟过程中发现转速小于2000r/min时空化区域几乎不产生空化，而当转速超过3000r/min时空化区域面积增加不明显，因此选用2000r/min、2500r/min、3000r/min来进行模拟，结果如图8所示。

图8中气相体积从大到小依次为：转速3000r/min、转速2500r/min、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。

3.2 入口压力

在初始参数不变的情况下，改变入口压力。

当入口压力小于1MPa时空化区域面积变化不明显，而当入口压力超过4MPa时几乎不产生空化，因此研究入口压力分别为1MPa、2MPa、3MPa、4MPa时，其对内孔式旋转空化器空化效果的影响，如图9所示。

图9中气相体积从大到小对应的压差依次为：1MPa、2MPa、3MPa、4MPa，说明在限定范围内空化效果随着入口压力的增大而减小。因为入口压力增大，使得整个旋转空化器内部压力升高，而离心力以及转子定子间的剪切力所导致的压降是一定的，导致达到饱和蒸气压区域减小。

4 内孔式旋转空化器的转速实验

前述研究验证了纯水溶液的温升及电导率随着空化强度的增大而增加［19-21］。本文在实验条件下，通过试验样机进行不同转速下的内孔式旋转空化器温升和电导率变化实验。

实验原理及装置如图10所示，实验采用变频调速原理控制电机及空化器转子转速，实时检测水样的温度，得到转速与温升的关系；水样冷却到室温后检测电导率的变化，消除温度对电导率的影响。

电动机的初始转速为2000r/min；实验水样初始值为温度：166℃；电导率为122μS/cm。

41 转速-温升实验

不同转速下水样温升数据如图11所示。

由图11可得：

1）随着转速增加，水样的温升显著增加。实验结果显示，在空化实验进行的1～5 min，水样的温升与空化器转速成线性关系。

2）同转速下，水样温升随着时间增加而增大。

42 转速-电导率实验

不同转速的空化实验得到的水样电导率如图12所示。

由图12可得：

1）随着转速增加，水样的电导率增加。实验结果显示，电导率的增值与转速成线性关系，即空化器的空化效果随转速增加而增加。

2）同转速下，水样电导率随着时间增加而增大。

转速实验所得结论与数值模拟转速部分所得结论一致，即在一定范围内，转速增加，空化器空化效果越好，通过转速实验验证了数值模拟结果的准确性。内孔式旋转空化器各参数间的影响关系，需要实验进一步研究。

5 结 论

本文通过数值模拟的方法，探究了结构参数与操作参数对内孔式旋转空化器空化效果的影响，并进行了不同转速下电导率和温升表征下的空化实验辅以验证。所得结论如下：

1）数值模拟中，在一定参数范围内，随着转子盲孔孔径、孔深增大，转子上单排盲孔个数增加，孔内气相体积增加，空化效果增强。

2）数值模拟中，在转速2000～3000r/min范围内转速增大，入口压力1MPa～4MPa压力减小，转子盲孔孔内气相体积增加，空化效果增强。

3）空化实验中，转速范围（3000～9000r/min）内，转速增加，水样温升增大，水样电导率增大，验证了数值模拟中所得转速增加，空化效果增强的结论。

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（编辑：温泽宇）

基金项目： 黑龙江省自然科学基金（E2016）；国家自然科学基金（51375123）；黑龙江省科学院科学研究基金（KY2020GJS03） ；黑龙江省省属科研院所科研业务费项目（SJKYYWFC2021GY02 ，ZNBZ2022GJS03）

作者简介：朱宜鹏（1997—），男，硕士研究生；

洪 健（1996—），男，硕士

通信作者：韩桂华（1972—），女，博士，教授，硕士研究生导师，E-mail：1269107634@qqcom