不同內(nèi)軸類(lèi)型環(huán)隙型水力空化器空化效果的數(shù)值模擬

鄭勝寒，盧曉江，石 宇

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

1 計(jì)算模型、計(jì)算方法及邊界條件

1.1 計(jì)算模型

圖 1為設(shè)計(jì)的 3種不同內(nèi)軸類(lèi)型的環(huán)隙型水力空化器結(jié)構(gòu)示意圖．空化器除了內(nèi)軸不同外，其余結(jié)構(gòu)與尺寸均相同．外腔直徑為 60,mm，空化器長(zhǎng)度為400,mm，外腔與內(nèi)軸中心線(xiàn)重合，3種不同的空化器內(nèi)軸直徑均為 20,mm，內(nèi)軸最大直徑處直徑均為52,mm．采用三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方案，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)網(wǎng)格劃分軟件Ansys Icem對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行空間六面體網(wǎng)格劃分，以球形內(nèi)軸空化器為例，其網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖 2．

圖1 不同內(nèi)軸類(lèi)型的環(huán)隙型水力空化器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure schema of the annulus cavitation device with different types of inner shafts

圖2 球形內(nèi)軸環(huán)隙型空化器網(wǎng)格劃分圖Fig. 2 Mesh map of the spherical inner shaft device

1.2 計(jì)算方法及邊界條件

1.2.1 計(jì)算方法

利用計(jì)算軟件Ansys Fluent進(jìn)行運(yùn)算，選用基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器類(lèi)型；多相流模型采用 Mixture模型，不考慮氣液兩相間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；采用 Realizable-κ ε湍流模型封閉三維Navier-Stokes方程，壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；選用穩(wěn)定性較好的Schnerr-Sauer空化模型；采用 Simple壓力速度耦合方式對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，其他項(xiàng)選用具有絕對(duì)穩(wěn)定特性的一階迎風(fēng)格式．

湍流模型選用Realizable -κ ε模型，其中κ和ε的方程分別定義為

1.2.2 邊界條件

水在常溫下(300,K)發(fā)生空化的壓力為3,540,Pa，采用壓力入口、壓力出口以及無(wú)滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)邊界條件．設(shè)進(jìn)出口蒸氣體積分?jǐn)?shù)為 0，液態(tài)水體積分?jǐn)?shù)為 1．入口壓力為 0.8,MPa，出口壓力為 0.2,MPa．

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 壓力云圖

圖 3為 3種環(huán)隙型水力空化器發(fā)生空化現(xiàn)象時(shí)中間截面的壓力分布云圖．可以看出：水流經(jīng)過(guò)由內(nèi)軸最大直徑與外腔組成的環(huán)隙時(shí)，由于節(jié)流的原因，會(huì)在環(huán)隙后方產(chǎn)生一定范圍的低壓區(qū)，節(jié)流的作用致使水流速度與壓降急劇增大，從而產(chǎn)生了低壓區(qū)．低壓區(qū)的形成為流體發(fā)生空化提供了先決條件．隨著流體的流動(dòng)，空化器的后半段壓力逐漸升高，并且流體中氣含率也在不斷增加，這將會(huì)導(dǎo)致空泡的穩(wěn)定性降低，從而使空泡流在某個(gè)位置處產(chǎn)生潰滅，形成潰滅區(qū)．由于水流不斷流過(guò)環(huán)隙，會(huì)在空化初生期不斷產(chǎn)生空泡，并隨水流進(jìn)入生長(zhǎng)區(qū)和潰滅區(qū)，從而形成了如圖 3所示的壓力云圖．對(duì)比 3種空化器壓力云圖得出梨形內(nèi)軸空化器低壓段范圍最小，球形內(nèi)軸空化器低壓段范圍最大，錐形內(nèi)軸空化器低壓段范圍介于梨形內(nèi)軸空化器與球形內(nèi)軸空化器之間．

比如電視節(jié)目《經(jīng)典詠流傳》，把古典、經(jīng)典華章與現(xiàn)代音樂(lè)結(jié)合在一起，讓學(xué)生通過(guò)唱歌的方式記住古詩(shī)詞。小學(xué)語(yǔ)文課本中的《登鸛雀樓》一詩(shī)，用了同一首曲子，由不同語(yǔ)言反復(fù)吟唱，讓一首簡(jiǎn)單的、只有20字的古代詩(shī)歌的魅力，穿越千年的歷史長(zhǎng)河，突破中西文化的壁壘，展現(xiàn)在了世人面前。

圖3 壓力云圖Fig. 3 Contours of pressure

2.2 速度云圖

圖 4為 3種環(huán)隙型水力空化器發(fā)生空化現(xiàn)象時(shí)中間截面的速度云圖．從圖 4可以看出：流體在經(jīng)過(guò)環(huán)隙時(shí)會(huì)在環(huán)隙后方產(chǎn)生一定范圍的高速區(qū)，流體在經(jīng)過(guò)環(huán)隙后，流體速度并沒(méi)有隨著流道面積的增加而下降的原因是由于流體發(fā)生空化產(chǎn)生的氣泡隨著流體一起流動(dòng)，空泡的體積占據(jù)了一部分流道，流體只能在空泡間隙流動(dòng)，從而使流體流速并沒(méi)有顯著降低．在高速區(qū)末端流體速度急劇下降，這是由于流體經(jīng)過(guò)潰滅區(qū)，空泡重新潰滅成液態(tài)水，從而使流速下降的原因．器出口處的速度略大于在進(jìn)口處的速度，這主要由兩方面原因造成的：(1)在錐形內(nèi)軸與梨形內(nèi)軸空化器低壓區(qū)后方出現(xiàn)了一段中低壓力的“過(guò)渡區(qū)”，這說(shuō)明由于空化泡大小或形態(tài)等原因?qū)е驴栈菰跐鐓^(qū)并沒(méi)有發(fā)生完全潰滅，從而流體中還存在少量的空化泡；(2)流體在高速區(qū)后方形成了一定范圍的旋渦區(qū)，旋渦區(qū)會(huì)占用一部分流道，從而使能供流體通過(guò)的流道變窄．

圖4 速度云圖Fig. 4 Contours of velocity

對(duì)比流體在錐形內(nèi)軸空化器與梨形內(nèi)軸空化器的流動(dòng)狀態(tài)，梨形內(nèi)軸空化器中流體在開(kāi)始進(jìn)入收縮段時(shí)會(huì)形成一定范圍的“死區(qū)”，從而造成一部分能量損耗，并且對(duì)流體流動(dòng)方向與流動(dòng)狀態(tài)造成影響；而錐型內(nèi)軸空化器“死區(qū)”范圍很?。虼耍F形內(nèi)軸空化器高速區(qū)范圍大于梨形內(nèi)軸空化器的．

對(duì)比流體在錐形內(nèi)軸空化器與球形內(nèi)軸空化器的流動(dòng)狀態(tài)，錐形內(nèi)軸空化器“死區(qū)”范圍很小，而球形內(nèi)軸空化器中流體同樣形成了一定范圍的“死區(qū)”，造成了一部分能量的損耗，并且對(duì)流體流動(dòng)方向與流動(dòng)狀態(tài)造成了影響．但是，錐形內(nèi)軸空化器的環(huán)隙結(jié)構(gòu)具有“角度突變”的特征，而球形內(nèi)軸空化器的環(huán)隙結(jié)構(gòu)具有“角度漸變”的特征，環(huán)隙結(jié)構(gòu)處角度的突變會(huì)強(qiáng)制地使流體流動(dòng)方向發(fā)生改變，尤其對(duì)在環(huán)隙處高速流動(dòng)的流體造成更為顯著的影響.因此，球形內(nèi)軸空化器高速區(qū)范圍大于錐形內(nèi)軸空化器的．

綜上：不同內(nèi)軸類(lèi)型的空化器相比，空化器內(nèi)流體速度峰值差別不大；但是，對(duì)于高速區(qū)范圍，球形內(nèi)軸空化器＞錐形內(nèi)軸空化器＞梨形內(nèi)軸空化器．

2.3 壁面氣含率分布圖

對(duì)于水力空化而言，空化過(guò)程往往發(fā)生在流體與固體壁面的交界面及其附近區(qū)域[10]．為了進(jìn)一步分析內(nèi)軸類(lèi)型對(duì)空化器內(nèi)部蒸氣體積分?jǐn)?shù)的影響，選取3種空化器的外腔壁面與內(nèi)軸壁面進(jìn)行分析，對(duì)比不同的內(nèi)軸類(lèi)型對(duì)外腔壁面處與內(nèi)軸壁面處氣含率的影響．圖 5為 3種內(nèi)軸類(lèi)型空化器的外腔壁面與內(nèi)軸壁面氣含率分布圖，圖中橫坐標(biāo)為 x軸坐標(biāo)，其方向?yàn)檠乜栈鞯妮S線(xiàn)方向，空化器環(huán)隙位置均在100,mm處．

由圖 5可以看出：3種空化器均是在軸向位置100,mm處內(nèi)軸壁面上開(kāi)始發(fā)生空化，說(shuō)明流體在經(jīng)過(guò)環(huán)隙后產(chǎn)生空化，并且氣含率迅速達(dá)到峰值，氣含率峰值接近 100%,，表明在環(huán)隙后部附近區(qū)域內(nèi)內(nèi)軸表面部分區(qū)域已經(jīng)接近完全汽化．其中，錐形內(nèi)軸空化器空化發(fā)生的區(qū)域在 100～300,mm，梨形內(nèi)軸空化器發(fā)生空化的區(qū)域在 100～260,mm，球形內(nèi)軸空化器發(fā)生的區(qū)域在100～330,mm．3種內(nèi)軸類(lèi)型對(duì)內(nèi)軸壁面處氣含率峰值影響不明顯，對(duì)高氣含率區(qū)域值影響明顯．

圖5 3種空化器壁面氣含率分布圖Fig. 5 Vapor fraction at the wall of three types of annulus cavitation device

外腔壁面的空化是從 x軸坐標(biāo)為 100,mm處后方一段區(qū)域開(kāi)始的，這主要是由于內(nèi)軸壁面處產(chǎn)生的空化泡一方面受到流體的“裹挾”作用向下游移動(dòng)；另一方面又由于空化泡的數(shù)量越來(lái)越多，空化泡之間產(chǎn)生相互擠壓作用，從而使得空化泡向外腔壁面處擴(kuò)散．外腔壁面處流體氣含率沿x軸坐標(biāo)的增長(zhǎng)由兩個(gè)階段組成，第一個(gè)階段氣含率增長(zhǎng)較快，第二個(gè)階段氣含率增長(zhǎng)較慢，兩個(gè)階段轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的x軸坐標(biāo)與內(nèi)軸壁面處氣含率最高值對(duì)應(yīng)的x軸坐標(biāo)相同，說(shuō)明隨著內(nèi)軸壁面處氣含率的下降，外腔壁面處氣含率的增長(zhǎng)速度也在下降．外腔壁面處氣含率峰值出現(xiàn)在空化泡潰滅的部位，其中，錐形內(nèi)軸空化器外腔壁面處氣含率峰值為 52%,，梨形內(nèi)軸空化器外腔壁面處氣含率峰值為 48%,，球形內(nèi)軸空化器外腔壁面處氣含率峰值為60%,．

3 結(jié) 論

(1)3種內(nèi)軸類(lèi)型對(duì)空化器內(nèi)流體速度峰值影響不大，但高速區(qū)范圍球形內(nèi)軸空化器大于錐形內(nèi)軸空化器大于梨形內(nèi)軸空化器，高速區(qū)范圍的提高有利于多種水力空化的實(shí)際應(yīng)用．

(2)3種內(nèi)軸類(lèi)型空化器的內(nèi)軸壁面處空化效果最好，外腔壁面處空化效果最差，并且不同內(nèi)軸類(lèi)型對(duì)內(nèi)軸壁面處空化氣含率峰值影響不顯著，對(duì)外腔壁面處空化氣含率峰值影響顯著．其中，球形內(nèi)軸空化器外腔壁面處氣含率峰值最高，梨形內(nèi)軸空化器外腔壁面處氣含率峰值最低，錐形內(nèi)軸空化器氣含率峰值介于兩者之間．

(3)環(huán)隙結(jié)構(gòu)的“角度突變”特征會(huì)使流體的空化效果減弱，在設(shè)計(jì)環(huán)隙型空化器時(shí)應(yīng)盡量避免環(huán)隙結(jié)構(gòu)處的“角度突變”，本研究中球形內(nèi)軸空化器的空化效果最好，其次是錐形內(nèi)軸空化器，梨形內(nèi)軸空化器最差．

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