120°錐角空泡清洗器空化性能研究

裴 禹，李大尉，趙孟石，姚鴻賓，姚立明，王 悅，，馬行行

(1.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

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120°錐角空泡清洗器空化性能研究

裴 禹1，李大尉1，趙孟石1，姚鴻賓1，姚立明1，王 悅1，2，馬行行2

(1.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

為了研究海水深20 m處空化器的空化特性，本文對120°錐角水下空泡清洗器在不同來流速度下進行了數(shù)值模擬。選取了來流速度為20 m/s、40 m/s和60 m/s三個工況，在Fluent中計算得到了不同來流速度下120°錐角空泡清洗器中壓力場在鈍體繞流前后的變化，同時計算了液體繞流鈍體之后的水蒸氣體積分數(shù)分布的變化，分析了不同水流噴射速度對空化特性的影響。

水下空泡清洗器；120°錐角；數(shù)值模擬；水蒸氣體積分數(shù)

空化是液體中的壓強下降到某一臨界值后，液體內(nèi)部原來含有的微小氣泡(通稱氣核)在液體中迅速膨脹，形成含有水蒸氣或其他氣體的明顯氣泡的過程?？栈F(xiàn)象可以在很多液體流動中發(fā)生，包括流體機械、水下航行體等[1]?？栈F(xiàn)象自從首次發(fā)現(xiàn)于英國一艘驅(qū)逐艦的螺旋槳上，就通常和負面效應(yīng)聯(lián)系在一起，例如:在流體機械中，空化現(xiàn)象的出現(xiàn)會帶來噪聲、振動和過流部件的空蝕破壞等負面影響[2]。然而，隨著近年來對空化現(xiàn)象研究的不斷深入，許多利用空化的技術(shù)被應(yīng)用到工程實際中，例如:利用空化射流清洗物面(除污、除銹、除船體海洋生物)，利用空化殺滅水中浮游生物，利用空化射流分散海面溢油，等等[3]。

利用空化原理來清洗污染表面在近年來得到了廣泛發(fā)展，空泡清洗器具有高效、耗能低、清洗干凈的特點，在許多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。然而，目前對空泡清洗器性能的理論研究尚不充分，限制了空泡清洗器的進一步發(fā)展。傳統(tǒng)的空泡清洗器，其鈍體部分為圓柱形，實驗及數(shù)值模擬均表明其空化性能較好。然而，已有的研究并不能表明柱體作為鈍體的空化性能最好。為了研究不同鈍體下空化清洗器的空化性能，本文嘗試選擇錐角為120°的錐體作為繞流鈍體進行研究。計算結(jié)果表明，錐體空化器同樣具有良好的空化性能。

1 求解域的網(wǎng)格劃分及數(shù)值計算方法

空化清洗器的工作原理為:在管道中鑲?cè)氩煌瑤缀涡螤畹拟g體(120°錐角的椎體)，空化器的左側(cè)通入高速流體。當(dāng)高速流體繞流鈍體時，將在鈍體后面形成空化區(qū)，空化區(qū)產(chǎn)生的小空泡射流到待清洗表面而潰滅，達到清洗的目的，因此，空化區(qū)越大，則清洗性能越好。影響錐體空化器空化性能的主要因素是來流速度及錐角大小。

本文首先研究來流速度對錐體空化器的空化性能影響。圖1是本文所研究物理模型的網(wǎng)格劃分及邊界條件。流動區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，由于采用邊界處壁面函數(shù)，因此并未在壁面處對網(wǎng)格進行加密。

圖1 圓錐型空泡清洗器空化流動問題計算域、網(wǎng)格和邊界條件Fig.1 Cone-type airfoil cleaner cavitation flow calculation domain, grid and boundary conditions

數(shù)值計算在商業(yè)軟件Fluent上實施，求解器中的相關(guān)設(shè)置如下:A.邊界條件設(shè)定。入口采用速度入口邊界條件，分別設(shè)置為20 m/s、40 m/s和60 m/s；出口采用壓力出口邊界條件，壓力大小設(shè)定為2個大氣壓。計算域壁面和空泡清洗器面均設(shè)為無滑移壁面。具體設(shè)置如圖1所示。B.模型選擇。多相流模型采用混合模型?？栈Ｐ筒捎肧chnerr-Sauer模型，氣泡數(shù)密度設(shè)定為默認值1×1013，飽和蒸汽壓為103 540 Pa。湍流模型選擇Realizable k-ε模型，采用非平衡壁面函數(shù)處理近壁區(qū)域。C.收斂判斷準(zhǔn)則。計算域進出口質(zhì)量流量近似相等，其差值不超過0.01%；監(jiān)測的各殘差值隨著迭代次數(shù)的增加降到規(guī)定數(shù)值以下；監(jiān)測的水蒸氣體積分數(shù)面積加權(quán)平均值最終維持在一個定值不變。D.數(shù)值計算方法選擇。采用PISO算法對代數(shù)方程進行離散求解的具體實施方案為:壓力采用PRESTO格式；動量方程、k方程、ε方程均采用二階迎風(fēng)格式；體積分數(shù)方程采用一階迎風(fēng)格式。E.流體物性參數(shù)設(shè)定。液態(tài)水物性參數(shù)設(shè)定:密度為998.2 kg/m3，動力粘度為0.001 003 Pags。氣態(tài)水物性參數(shù)設(shè)定:密度為0.025 58 kg/m3，動力粘度為1.26×10-6Pags。

2 計算結(jié)果分析

圖2是空化器流動區(qū)域中壓力場在不同來流速度下的分布。可以發(fā)現(xiàn)，在速度為20 m/s，40 m/s時，鈍體之前錐體的頂點處具有局部高壓區(qū)，此高壓區(qū)呈圓形且隨著來流速度的增加而減小。當(dāng)速度為60 m/s時，高壓區(qū)已消失，在鈍體前面壓力場大小變化較小。在鈍體和管壁之間的過渡段，壓力變化劇烈，主要是因為在此區(qū)域液體流速明顯增加，根據(jù)伯努利方程，流速高的區(qū)域壓力更小，因此流體流過過渡段時壓力減小。在鈍體繞流之后，流體的壓力減小了近一個數(shù)量級，整個繞流區(qū)之后流體的壓力分布均勻，并且對所有的速度都具有類似結(jié)論。根據(jù)空化發(fā)生的基本條件，壓力越低，空化越容易發(fā)生，因此，壓力場的計算結(jié)果表明，在鈍體繞流區(qū)之后具有較大的可能發(fā)生空化。

圖2 不同水流噴射速度下空化器流場壓力云圖(a)v=20 m/s； (b)v=40 m/s； (c)v=60 m/sFig.2 Flow chart of cavitator flow field at different water jet velocity(a)v=20 m/s; (b)v=40 m/s; (c)v=60 m/s

圖3 不同水流噴射速度下空化水蒸氣體積分數(shù)云圖(a)v=20 m/s；(b)v=40 m/s；(c)v=60 m/sFig.3 Cloud diagram of cavitation vapor volume at different water jet velocities (a)v=20 m/s; (b)v=40 m/s; (c)v=60 m/s

圖3給出了不同水流噴射速度下空泡清洗器內(nèi)水蒸氣的體積分布。從圖中清晰可見，圓錐作為鈍體時，同樣可以產(chǎn)生很大的空化區(qū)。而隨著來流速度的增加，空化區(qū)域變大?？栈瘏^(qū)域呈類梯形的幾何形狀，氣泡初始附著點在整個錐體的底部，隨著流動的發(fā)展，氣泡的寬度減小。在空化氣泡的前端，沿對稱軸存在凹陷界面。在氣泡的邊緣是氣相和液相同時存在的兩相流區(qū)域，當(dāng)射流到待清洗表面時，小氣泡和空化區(qū)潰滅，形成微射流及極端條件，很好地清洗物體表面。空化氣泡隨著來流速度的增加，其長度和寬度都在增加。上述計算結(jié)果表明，以錐體為鈍體的空泡清洗器同樣具有很好的空化效果。

3 結(jié)論

空泡清洗器是利用空化后的氣液兩相射流，在遇到固體壁面時由于氣泡的潰滅，在射流表面形成高溫、高壓、強烈微射流環(huán)境的特點從而高效地清理污染表面，具有重要的潛在應(yīng)用價值。本文模擬了空化器中鈍體為120°錐體工況下空化性能與來流速度的關(guān)系。計算結(jié)果表明，隨著來流速度的增加，流體的空化率明顯增加，并且鈍體之后的空化區(qū)域也明顯增加。表明流速是影響空化性能的主要因素之一，流速越大，空化性能越好。同時，不同速度下壓力場的分析結(jié)果表明，流域中壓力只在鈍體和管壁之間的狹小區(qū)域具有較大變化，在鈍體前后變化較小且鈍體之前壓力更大。本文的計算結(jié)果表明以錐體作為鈍體的空泡清洗器同樣具有良好的空化性能。

[1] 黃繼湯. 空化與空蝕的原理及應(yīng)用[M]. 北京:清華大學(xué)出版社， 1991.

[2] Wang X K，Zhang Y. Degradation of Alachlor in Aqueous Solution by using Hydrodynamic cavitation[J]. Journal of Hazardous Materials，2009，(161): 202-207.

[3] 廖振方，陳德淑，鄧曉剛.利用空化射流清洗湖泊[J]. 清洗世界，2004，20(04): 1-6.

Study on cavitation performance of 120 ° cone angle airfoil cleaner

PEI Yu1, LI Da-wei1, ZHAO Meng-shi1, YAO Hong-bin1, YAO Li-ming1, WANG Yue1,2, MA Xing-xing2

(1. Institute of Advanced Technology, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150020, China; 2. Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

In order to study the cavitation characteristics of the cavitator at 20 m depth, a numerical simulation of 120° cone angle underwater vacuolator was carried out at different flow rates. We selected the flow rate of 20 m/s, 40 m/s and 60 m/s three cases, in the fluent calculated at different flow rate 120° cone angle bubble cleaner in the pressure field in the blunt body around the flow and the change of the volume fraction of water vapor after the flow of the body was calculated. The influence of the jet velocity on the cavitation characteristics was analyzed.

Underwater airfoil cleaner; 120° cone angle; Numerical simulation; Water vapor volume fraction

2017-02-16

裴禹(1984-)，男，碩士，助理研究員。

TH311

A

1674-8646(2017)08-0060-03