文丘里管汽蝕實(shí)驗(yàn)研究

唐 虎，畢勤成

（1西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100；2西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049）

0 引言

19世紀(jì)后半葉，隨著蒸汽輪機(jī)的應(yīng)用，在動(dòng)力系統(tǒng)中逐漸出現(xiàn)了“汽蝕”（也稱為空化）現(xiàn)象。隨著科技的進(jìn)步，涉及汽蝕現(xiàn)象的領(lǐng)域愈來愈多，許多研究者對(duì)此進(jìn)行了廣泛的研究。到目前為止，有關(guān)汽蝕研究最多的裝置之一是文丘里管。研究主要包括實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬（有的包含實(shí)驗(yàn)研究）、應(yīng)用研究等。

1）實(shí)驗(yàn)研究

有的對(duì)不同結(jié)構(gòu)文丘里管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，Sayyaadi等對(duì)串聯(lián)汽蝕文丘里管反應(yīng)器與傳統(tǒng)的單文丘里管反應(yīng)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較[1]。Fasih等對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)尺寸的文丘里管空化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較，結(jié)果顯示如果文丘里管出口壓力與入口壓力之比小于0.8，則流量恒定且與下游壓力無關(guān)；當(dāng)該值超過0.8時(shí)，文丘里管就等同于節(jié)流孔板[2]。

有的對(duì)特定流體介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，Ardiansyah等對(duì)鈉在文丘里管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的空化和空蝕特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)表明不同的滯止壓力和溫度，開始的空化數(shù)都基本是一致的，但在空蝕實(shí)驗(yàn)中，空化數(shù)在0.59到0.51間發(fā)生變化[3]。

隨著技術(shù)發(fā)展，對(duì)文丘里管的實(shí)驗(yàn)研究也越來越深入。Vabre等利用同步加速器X射線成像進(jìn)行了文丘里管結(jié)構(gòu)汽蝕流動(dòng)研究，該技術(shù)能以數(shù)千赫茲的頻率同時(shí)測量液態(tài)相和氣態(tài)相的速度場[4]；Coutier-Delgosha等采用超快X射線成像技術(shù)進(jìn)行了文丘里管空化流的速度場測[5]。Sayyaadi等還對(duì)文丘里管反應(yīng)器進(jìn)行了空化不穩(wěn)定性研究，采用高速攝像機(jī)觀察到了文丘里管空化流的波動(dòng)過程，采用示波器記錄了波動(dòng)的頻率，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)空化數(shù)是波動(dòng)特性的主要影響因素[6]。

2）數(shù)值模擬

文丘里管汽蝕仿真研究主要是隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展而發(fā)展的。但數(shù)值計(jì)算的湍流模型及汽蝕模型還不能完全準(zhǔn)確的描述實(shí)際的流動(dòng)狀態(tài)，采用不同的模型時(shí)計(jì)算的結(jié)果會(huì)存在差別，流動(dòng)狀態(tài)不一致時(shí)，有的模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際較為吻合，有的差別明顯。因此，通常的計(jì)算都需要用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。另外，影響汽蝕的因素眾多，數(shù)值模擬的側(cè)重點(diǎn)也多不一致。為了驗(yàn)證模擬的正確性，許多數(shù)值模擬都先采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)。

有的重點(diǎn)對(duì)不同介質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬。到目前為止，絕大部分的數(shù)值模擬都是采用水為介質(zhì)，少數(shù)采用別的介質(zhì)。Ardiansyah等對(duì)鈉和水的汽蝕特性進(jìn)行了數(shù)值模擬比較，結(jié)果顯示在相同的空化數(shù)和不凝性氣體含量情況下，水和鈉中的空泡分布沒有大的差別[7]；浙江大學(xué)的張小斌等考慮汽蝕過程熱效應(yīng)并假設(shè)氣相與液相間熱平衡，利用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)液氧文丘里管的汽蝕特性進(jìn)行了分析[8]；史剛和梁國柱，針對(duì)N2O的特點(diǎn)，對(duì)3種不同工況下文氏管的汽蝕流場分別考慮汽化熱和不考慮汽化熱進(jìn)行了仿真，并對(duì)2種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析[9]。

有的重點(diǎn)對(duì)不同的模型進(jìn)行數(shù)值模擬，Dittakavi等采用大渦模型模擬了文丘里管里湍流-汽蝕的相互作用[10-11]；De Giorgi等采用不同的模型對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)低溫流體在文丘里管的汽蝕進(jìn)行計(jì)算比較，其中全汽蝕模型受到了更多關(guān)注[12]；Goncalves Eric等對(duì)空化流的不同數(shù)值求解器進(jìn)行了計(jì)算比較，結(jié)果認(rèn)為可壓縮性很有必要[13]；譚建國、劉景華和王振國通過綜合采用數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、系統(tǒng)辨識(shí)的方法，建立了一種適用于系統(tǒng)仿真的四階文丘里管動(dòng)態(tài)模型，計(jì)算表明：即使在汽蝕狀態(tài)下，文丘里管也可能出現(xiàn)3.3%的流量波動(dòng)[14]。

有的重點(diǎn)對(duì)不同的文丘里管結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，Bashir等基于CFD對(duì)狹縫文丘里管不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的空化進(jìn)行了模擬，得到了當(dāng)喉部長度與高度相等且擴(kuò)張半角為5.5°時(shí)達(dá)到最佳空化[15]。

有的重點(diǎn)對(duì)汽蝕不穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，Goncalvs Eric等對(duì)文丘里管汽蝕流動(dòng)的不穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明湍流模型有著重要的影響[16]。

3）應(yīng)用研究

文丘里管發(fā)生汽蝕時(shí)，在入口條件保持不變的情況下，流量基本保持恒定，因此，可以用作流量測量裝置。在文丘里管下游，汽泡在較高壓力作用下會(huì)發(fā)生潰滅，潰滅將產(chǎn)生一些特殊的效應(yīng)，利用這些特殊效應(yīng)，可以用于污水處理等方面。為此，有的學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。

Kim H J等研究了文丘里管進(jìn)行污水預(yù)處理來增加生物降解的性能，研究得出文丘里管出口角度為12°時(shí)性能較高[17]；Saharan等采用水力空化進(jìn)行活性紅色120染料的降解研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)紅色120染料的降解與溶液的PH值有關(guān)，在酸性溶液中可以獲得更高的降解率，H2O2的添加可以強(qiáng)化降解率[18]；Sainte Beuve等采用水力空化進(jìn)行菜籽油的酶水解實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中文丘里管入口壓力增加8 bar時(shí)，多脂肪酸的產(chǎn)量最多也只能達(dá)到60%，而采用簡單的攪拌爐反應(yīng)器可以達(dá)到90%或者更多，這說明空化在某些方面抑制了反應(yīng)，對(duì)水解不是很有效[19]；有的學(xué)者還進(jìn)行了有添加劑的情況下采用水力空化強(qiáng)化羅丹明B降解的研究[20]；有的對(duì)降解orange-G的水力空化裝置的結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行了研究[21]。

目前已有一些學(xué)者對(duì)文丘里管汽蝕進(jìn)行了研究，但影響汽蝕的因素很多，有流動(dòng)邊界形狀、絕對(duì)壓力和流速等，此外，水流粘性、表面張力、汽化特性、水中雜質(zhì)、邊壁表面條件和所受的壓力梯度等也有一定影響。本文對(duì)特定結(jié)構(gòu)形式的文丘里管進(jìn)行了汽蝕研究。

1 實(shí)驗(yàn)狀態(tài)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)4種文丘里管各加工了一件，結(jié)構(gòu)形式一樣，有入口直線段、收縮段、喉部直線段、擴(kuò)張段、出口直線段。不同的是喉部直徑，分別為3.0 mm,2.5 mm,2.0 mm和1.5 mm，編為1#,2#,3#和4#，其中4#文丘里管見圖1。

圖1 4#文丘里管Fig.1 Venturi 4#

本文進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖2。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由水箱1，柱塞泵2，閥門3和4，流量計(jì)5，電加熱器6，文丘里管7，壓力傳感器8和溫度傳感器9組成。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)主要依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行，包括常溫實(shí)驗(yàn)和加溫實(shí)驗(yàn)。

常溫實(shí)驗(yàn)中，文丘里管出口通過管路直接回流至水箱，可以認(rèn)為出口壓力為大氣壓，對(duì)1#～4#文丘里管在實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度下（13℃）進(jìn)行不同入口壓力下的實(shí)驗(yàn)，測量入口壓力、溫度、流量，并對(duì)實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行高速攝影。

加溫實(shí)驗(yàn)中，出口通過管路直接回流至水箱，可以認(rèn)為出口壓力為大氣壓，采用4#文丘里管進(jìn)行水加溫后實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)整目標(biāo)水溫分別為23℃，33℃和43℃，在各個(gè)溫度下進(jìn)行0.2 MPa，0.5 MPa和0.9 MPa入口壓力實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 入口壓力與流量系數(shù)關(guān)系

由文丘里管流量計(jì)算公式可以反算流量系數(shù)，計(jì)算公式為：

式中：Cd為流量系數(shù)；qm為質(zhì)量流量；At為文丘里管喉部面積；ρ為水的密度；pi為文丘里管入口壓力；psat為水的飽和蒸汽壓。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出環(huán)境溫度下1#～4#文丘里管不同入口壓力下流量系數(shù) (見圖3)。

圖3 不同入口壓力下的流量系數(shù)Fig.3 Flow coefficient at different inlet pressure

從圖3可以看出，對(duì)4種不同結(jié)構(gòu)尺寸的文丘里管，隨著實(shí)驗(yàn)入口壓力的增加，流量系數(shù)呈減小的趨勢，分析認(rèn)為，入口壓力增加時(shí)，雖然在收縮段的阻力增加，但流經(jīng)文丘里管喉部時(shí)的速度也增加，收縮效應(yīng)更為明顯，等效流通面積減小，這引起流量系數(shù)略有減小。

2.2 介質(zhì)溫度與流量系數(shù)的關(guān)系

4#文丘里管在13℃，23℃，33℃和43℃下的流量系數(shù)與入口壓力關(guān)系見圖4。

圖4 不同溫度下流量系數(shù)與入口壓力關(guān)系Fig.4 Relation between flow coefficient and inlet pressure at different temperature

由圖4可以看出，隨著水溫的增加，在相同入口壓力下，文丘里管的流量系數(shù)出現(xiàn)減小。分析認(rèn)為：隨著水溫的增加，水的密度減小；而在相同入口壓力條件下，由能量轉(zhuǎn)換可知，密度越小，在喉部的速度越大，這樣喉部的收縮效應(yīng)越明顯，相應(yīng)于等效流通面積減小，流量系數(shù)降低。另一方面，水溫增加時(shí)，水的飽和蒸汽壓也增加，這又會(huì)引起流量系數(shù)增加。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，當(dāng)水溫在33℃內(nèi)時(shí)，兩者的影響相當(dāng)，流量系數(shù)變化不大，當(dāng)水溫達(dá)到43℃時(shí)，密度的影響大于飽和蒸汽壓的影響。這引起流量系數(shù)明顯小于33℃內(nèi)的流量系數(shù)。

2.3 汽蝕區(qū)與入口壓力關(guān)系

由于汽蝕時(shí)，汽蝕區(qū)是大量氣泡產(chǎn)生、發(fā)展、潰滅在某一時(shí)刻的綜合表現(xiàn)，其過程極其復(fù)雜，影響因素繁多，目前只能進(jìn)行定性的分析。從實(shí)驗(yàn)情況看，保持入口壓力、入口溫度、出口壓力等均不變的情況下，汽蝕區(qū)均發(fā)生較為明顯的周期性變化，時(shí)長時(shí)短。為了進(jìn)行比較，這里對(duì)汽蝕區(qū)最長時(shí)進(jìn)行比較。

1#文丘里管不同入口壓力下汽蝕區(qū)見圖5。

圖5 汽蝕區(qū)(1#文丘里管)Fig.5 Cavitation area(Venturi 1#)

從圖5可以看出，出口壓力、結(jié)構(gòu)參數(shù)等一定時(shí)，入口壓力越高，流量越大，汽蝕產(chǎn)生汽泡的速度也越快，同時(shí)在文丘里管相同位置的速度越大，在氣泡相同的存在時(shí)間內(nèi)，其運(yùn)動(dòng)的距離更遠(yuǎn)，這樣汽蝕區(qū)長度明顯增加。

2.4 汽蝕區(qū)與喉部直徑關(guān)系

4種文丘里管均進(jìn)行了0.2 MPa，0.3 MPa和0.5 MPa入口壓力下的汽蝕實(shí)驗(yàn)，由于入口壓力越高，汽蝕越明顯，為了比較更為清晰，以0.5 MPa入口壓力下4種文丘里管汽蝕區(qū)進(jìn)行比較（見圖6）。

圖6 汽蝕區(qū)(入口壓力0.5 MPa)Fig.6 Cavitation area(0.5 MPa inlet pressure)

從圖6可以看出，在入口、出口壓力相同的情況下，喉部流通面積越大，流量越大，汽泡產(chǎn)生的速度越大，氣泡量增加，形成的汽蝕區(qū)長度越長。

2.5 汽蝕區(qū)與溫度關(guān)系

在實(shí)驗(yàn)后期對(duì)4#文丘里管進(jìn)行了加溫實(shí)驗(yàn)，加溫后溫度分別為23℃，33℃和43℃，對(duì)0.2 MPa，0.5 MPa和0.9 MPa入口壓力下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其中0.9 MPa入口壓力時(shí)4#文丘里管在不同溫度下的汽蝕區(qū)比較見圖7。

圖7 4#文丘里管汽蝕區(qū)(入口壓力0.9 MPa)Fig.7 Cavitation area of Venturi 4#(0.9 MPa inlet pressure)

從圖7可以看出，4種不同溫度下汽蝕區(qū)長度差別不明顯，分析認(rèn)為與溫度相差不大及入口壓力/出口壓力較大引起的汽蝕區(qū)較長有關(guān)。

從圖7還可看出，水的溫度越高，汽蝕區(qū)的汽泡越分散，分析認(rèn)為，溫度越高，水的粘性降低，徑向運(yùn)動(dòng)的約束減小，徑向速度脈動(dòng)增加。

2.6 汽蝕區(qū)穩(wěn)定性

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)文丘里管汽蝕時(shí)汽蝕區(qū)很不穩(wěn)定，采用同一個(gè)文丘里管，并且入口壓力、入口溫度一定，出口直接接入水箱的情況下，文丘里管的汽蝕區(qū)發(fā)生周期性的變化。同一文丘里管在相同入口、出口壓力下，不同時(shí)刻的汽蝕區(qū)差別很明顯，汽蝕程度差別較大，說明汽蝕是很不穩(wěn)定的。分析認(rèn)為：由于不同汽泡產(chǎn)生、發(fā)展、潰滅的過程不一致，汽蝕區(qū)是大量汽泡產(chǎn)生、發(fā)展、潰滅的綜合反映；當(dāng)文丘里管入口條件出現(xiàn)不穩(wěn)定時(shí)，汽蝕產(chǎn)生的汽泡量就會(huì)發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)過程中，采用的是泵提供壓力，其出口壓力、流量存在一定波動(dòng)，這引起汽蝕程度發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致汽蝕區(qū)長度變化。

4#文丘里管0.5 MPa入口壓力下的汽蝕區(qū)變化見圖8。

圖8 汽蝕區(qū)比較Fig.8 Comparison of cavitation areas

從圖8可以看出，計(jì)算的汽蝕區(qū)與實(shí)驗(yàn)中拍攝的較長汽蝕區(qū)基本一致。在實(shí)驗(yàn)中汽蝕區(qū)不穩(wěn)定，時(shí)長時(shí)短，呈現(xiàn)周期性變化。對(duì)單個(gè)汽泡而言，其生成、發(fā)展、潰滅過程不一致，有一定的隨機(jī)性，大量氣泡的運(yùn)動(dòng)形成汽蝕區(qū)，因此具有一定的統(tǒng)計(jì)性。實(shí)驗(yàn)中時(shí)長時(shí)短，分析認(rèn)為與入口的流態(tài)不穩(wěn)定有關(guān)，入口壓力、溫度雖然波動(dòng)幅度不大，但這種波動(dòng)對(duì)汽蝕會(huì)有影響；而計(jì)算中，設(shè)定入口邊界條件后，入口一直保持該邊界條件，這樣，汽蝕區(qū)就基本沒有波動(dòng)。

3 結(jié)論

對(duì)文丘里管的實(shí)驗(yàn)研究獲得如下結(jié)論：

1）隨著入口壓力的提高，文丘里管的流量系數(shù)呈緩慢下降趨勢。

2）對(duì)同一文丘里管，采用相同的流體介質(zhì)在相同的入口壓力下，當(dāng)溫度超過某一值時(shí)，流量系數(shù)出現(xiàn)明顯減小。

3）在相同入口、出口壓力下，喉部直徑越大，汽蝕形成的汽蝕區(qū)越明顯。對(duì)同一文丘里管，入口壓力越大，汽蝕區(qū)也越明顯。

4）對(duì)流體進(jìn)行加溫時(shí)，在一定溫度范圍內(nèi)，汽蝕沒有明顯變化，說明溫度對(duì)水的汽蝕影響不是很大。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)文丘里管形成的汽蝕區(qū)不穩(wěn)定，時(shí)長時(shí)短，呈現(xiàn)周期性變化。

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