氣液雙相微納米氣泡發(fā)生器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

高殿榮 孫亞楠 張宗熠

(燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水體污染問題日益突出，對居民的健康造成了極大的威脅，加之我國水資源的嚴(yán)重匱乏，因此對受污染水體的凈化處理，成為環(huán)境控制與治理的研究熱點[1]。

微納米氣泡主要由直徑在幾十微米以下的微米氣泡和直徑在數(shù)百納米以下的納米氣泡組成[2- 3]。由于具有自身體積小、在水中停留時間長、比表面積大、表面負(fù)電位高、在潰滅時的溫度和壓力急劇升高和同時有羥基自由基(有一定的氧化作用)產(chǎn)生的特性，微納米氣泡可以有效消除水中雜質(zhì)，提升水體富氧量，殺滅水中有害微生物[4- 6]。因此，在污水處理、水體增氧、土壤凈化等農(nóng)業(yè)及環(huán)保領(lǐng)域，微納米氣泡具有良好的工作效果和較高的產(chǎn)氣效率，具有廣闊的市場前景和巨大的發(fā)展?jié)摿7- 8]。Cravotto等[9]借助超聲波微納米氣泡發(fā)生器產(chǎn)生微納米氣泡。Stephani等[10]提出了采用“被困氣泡”減小摩擦阻力的技術(shù)，通過電解氣泡的方法產(chǎn)生微納米氣泡。Osterland等[11]對相關(guān)液壓系統(tǒng)中單個元件進(jìn)行了靜、動態(tài)分析，并在數(shù)學(xué)上證明了其靜、動態(tài)特性的梯度與穩(wěn)定性之間的內(nèi)在關(guān)系，從而促進(jìn)系統(tǒng)更好地運行。王啟凡等[12]將迷宮螺旋密封的泵送原理應(yīng)用于微氣泡發(fā)生裝置，并對曝氣裝置的螺桿進(jìn)行分段組合設(shè)計，實驗表明，分段式組合設(shè)計可以提高曝氣效率。Jenkins等[13]為了對系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定性和極限性能進(jìn)行分析，提出了一個半經(jīng)驗集總參數(shù)模型。時玉龍等[14]通過對加壓溶氣氣浮設(shè)備的微氣泡產(chǎn)生機理進(jìn)行研究，得出了加壓溶氣系統(tǒng)在微氣泡產(chǎn)生過程中的兩個耗能關(guān)鍵點，并提出了降低能耗的優(yōu)化措施。紀(jì)獻(xiàn)兵等[15]對極端潤濕性表面的潤濕性、氣泡上升高度以及氣泡當(dāng)量直徑對氣泡行為特性的影響進(jìn)行了研究。Castro-Hernndez等[16]介紹了一種基于PDMS的流動聚焦微流體裝置的新操作體系，該裝置能產(chǎn)生直徑為50 μm的單分散微氣泡。

目前，根據(jù)氣泡的發(fā)生機制，微納米氣泡發(fā)生技術(shù)主要分為引氣制造法、溶解釋氣法以及電解析出法等[17- 18]。文中描述的氣液雙相微納米氣泡發(fā)生器就是利用溶解釋氣法產(chǎn)生微納米氣泡，通過對其流場進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，分析發(fā)生器產(chǎn)生的微納米氣泡的直徑和數(shù)量與工作壓力的關(guān)系，探討了該發(fā)生器通流腔直徑、擴張腔大/小徑、旋流腔直徑4個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的尺寸對產(chǎn)生的氣泡粒徑和數(shù)量的影響。

1 微納米氣泡發(fā)生器模型及工作原理

圖1是微納米氣泡發(fā)生器的實物圖，該發(fā)生器利用溶解釋氣法產(chǎn)生微納米氣泡。由于該發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，內(nèi)部尺寸小而精密，故在進(jìn)行最佳工況測試選取和探究關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，采用數(shù)值模擬的方法可以大大縮短工作周期，降低工作成本，同時獲得較為可靠的結(jié)果。

圖1 微納米氣泡發(fā)生器的實物圖Fig.1 Physical micro-nano bubble generator

溶解釋氣法是通過提高工作壓力，增大氣體在液體中的溶解度，使壓力瞬間恢復(fù)，從而生成微氣泡的方法[19]。圖2是氣液雙相微納米氣泡發(fā)生器的三維模型及其剖面圖。微納米氣泡發(fā)生器的工作原理如下：提高氣液混合物的壓力，將空氣強制溶于水中，形成過飽和狀態(tài)的氣液混合物，并從微納米氣泡發(fā)生器的入口到達(dá)如圖2(b)所示的發(fā)生器的旋流腔(A腔)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)運動，此時壓力瞬間恢復(fù)，混合物中析出大量氣泡。由于水、氣比重差異的存在，氣液混合物在旋流腔旋轉(zhuǎn)中心軸處形成負(fù)壓氣體軸，此處氣體在外部流入的液體和內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)的液體的縫隙之間被剪切撕裂成為微氣泡；隨后氣液混合物由旋流腔先后兩次經(jīng)過通流面積逐漸縮小后又突然增大的擴張腔后進(jìn)入圖2(b)所示的發(fā)生器的B腔，在這一過程中，氣液混合物的速度隨通流面積的減小而上升，同時形成負(fù)壓，氣泡破裂形成直徑更小的氣泡，然后隨著通流面積的增大，氣液混合物的速度和壓力發(fā)生劇烈變化，湍流運動更加劇烈，使得氣泡在流道內(nèi)發(fā)生強烈地碰撞；在從B腔高速流至出口的流道中，氣泡進(jìn)一步破裂，粒徑達(dá)到納米級別，從出口噴出進(jìn)入外部流場，至此完成整個工作過程。

圖2 微納米氣泡發(fā)生器的三維模型及其剖面圖

Fig.2 Three-dimensional model and its cross-sectional view of micro-nano bubble generator

2 微納米氣泡發(fā)生器的模擬分析

2.1 微納米氣泡發(fā)生器的流場模型

微納米氣泡發(fā)生器的流場模擬仿真過程主要是氣液混合物經(jīng)過氣液混合泵加壓之后從發(fā)生器的入口進(jìn)入內(nèi)部流場，經(jīng)過一系列碰撞剪切等物理作用之后形成微納米氣泡從出口噴出，進(jìn)入外部流場的過程，因此，除了建立該發(fā)生器的實體模型之外，還需要建立其內(nèi)部流場和外部流場的模型。根據(jù)發(fā)生器的實體模型，構(gòu)建如圖3所示的微納米氣泡發(fā)生器的內(nèi)部流場三維模型。通過在發(fā)生器出口處添加兩個200 mm×200 mm×200 mm的正方體模擬其外部流場來進(jìn)行數(shù)值模擬，圖4所示為微納米氣泡發(fā)生器的內(nèi)、外部流場模型。

圖3 微納米氣泡發(fā)生器的內(nèi)部流場三維模型

Fig.3 Three-dimensional model of internal flow field of micro-nano bubble generator

圖4 微納米氣泡發(fā)生器的內(nèi)、外部流場模型

Fig.4 Internal and external flow field model of micro-nano bubble generator

由于微納米氣泡發(fā)生器的內(nèi)部流場模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸變化范圍較大，因此采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分；而外部流場模型結(jié)構(gòu)相對簡單且規(guī)則，適合通過結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過網(wǎng)格無關(guān)性檢查，最終得出該發(fā)生器流場模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖5、圖6所示。

圖5 微納米氣泡發(fā)生器的內(nèi)部流場網(wǎng)格Fig.5 Internal flow field grid of micro-nano bubble generator

在對流場模型進(jìn)行數(shù)值仿真前，需要設(shè)定模型的邊界條件，這里將發(fā)生器的入口截面設(shè)定為壓力入口邊界條件，將外部流場的出口界面(即正方體的上表面)設(shè)定為壓力出口邊界條件，而內(nèi)部流場和外部流場的交界面則設(shè)定為交界面邊界條件，其余的面均設(shè)定為壁面邊界條件。

圖6 微納米氣泡發(fā)生器的內(nèi)、外部流場網(wǎng)格

Fig.6 Internal and external flow field grid of micro-nano bubble generator

2.2 離散相模型

Fluent提供的離散相模型可以在拉氏坐標(biāo)下模擬流場中由球形顆粒(代表液滴或氣泡)構(gòu)成的離散相。相間耦合以及耦合結(jié)果離散相的軌跡、粒徑和連續(xù)相流動均可考慮進(jìn)去。

離散相模型通過積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道。顆粒的作用力平衡方程(顆粒慣性=作用在顆粒上的各種力)在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式(x方向)為

(1)

離散相模型通過能量守恒定理來求解新生成的氣泡的尺寸及數(shù)量，即令“父”液滴的能量等于“子”液滴的各種能量之和，就可以求得“子”液滴的尺寸。“父”液滴的能量為

(2)

(3)

式中，ρl為液滴的密度，r為未發(fā)生變形前液滴的半徑，σ為液滴表面張力，K為液滴的變形與振動能量和基頻總能的比值(此值為10/3左右)，x為液滴的位移量，Cb為常數(shù)0.5。

不考慮“子”液滴的變形與震蕩，則其能量為

(4)

式中，r32為液滴尺寸分布的索太爾中徑(即全部氣泡的體積與總表面積的比值)。

(5)

一旦求出子液滴的尺寸，就可以通過質(zhì)量平衡得到子液滴的數(shù)目。

在具體應(yīng)用離散相模型時，可以選定更細(xì)致的模型，設(shè)定不同的顆粒噴射方式、顆粒的比重以及顆粒屬性，還可以選擇顆粒運動的開始、終止時間以及入射速度。此外，還可以定義是否與連續(xù)相進(jìn)行耦合計算。

將上述生成的網(wǎng)格文件導(dǎo)入至FLUENT中，對微納米氣泡發(fā)生器進(jìn)行瞬態(tài)模擬仿真。選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型和彌散相模型(即DPM模型)為求解模型，在DPM模型對應(yīng)參數(shù)設(shè)定中，將水設(shè)置為連續(xù)相，空氣設(shè)置為彌散相，即空氣以較小的占比與水混和，在流場中運動并發(fā)生相互作用。在邊界條件中將發(fā)生器的入口壓力分別設(shè)定為0.5、1.0、1.5和2.0 MPa，在完成對其他相關(guān)參數(shù)設(shè)定后開始進(jìn)行瞬態(tài)模擬仿真。

2.3 微納米氣泡發(fā)生器數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了對模擬結(jié)果進(jìn)行可視化及量化處理，在對微納米氣泡發(fā)生器進(jìn)行瞬態(tài)模擬仿真時，選擇在外部流場中設(shè)置3個截面，用以采集通過截面的氣泡，統(tǒng)計氣泡群的直徑范圍及其對應(yīng)的氣泡數(shù)量分布情況。圖7所示為在外部流場創(chuàng)建的3個截面。圖8顯示了微納米氣泡發(fā)生器在運行過程中氣泡的大致運行軌跡和分布狀況。由圖8可以看出，形成的微納米氣泡從發(fā)生器噴出后，在外部流場繼續(xù)前進(jìn)一段距離后才發(fā)生折回，并逐漸充滿整個流場區(qū)域。上述3個截面采集到的不同直徑的微納米氣泡數(shù)量分布如表1所示。從表中可以看出：微納米氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡的直徑基本上分布在1 nm左右，在粒徑分布范圍上具有較好的均勻性；隨著微納米氣泡發(fā)生器入口壓力的增大，產(chǎn)生的微納米氣泡數(shù)量呈現(xiàn)先增多后減少的趨勢，并在入口壓力為1.5 MPa時產(chǎn)生的氣泡數(shù)量達(dá)到峰值。

圖7 發(fā)生器截面圖Fig.7 Cross-section of generator

圖8 發(fā)生器氣泡分布圖Fig.8 Bubble distribution of generator

Table 1 Diameter distribution of bubbles collected in different sections

截面入口壓力/MPa不同直徑下的氣泡數(shù)量直徑為0.01nm直徑為0.1nm直徑為1nm直徑為10nm1230.556512280024511.047580597833231.5471003467213125342.047512632716520.587516279623871.068597665636121.5681257882651162152.068751663517030.54330210218861.076809135031.596881832525962.07682368471672

通過計算可得，在發(fā)生器的入口壓力分別為0.5、1.0、1.5和2.0 MPa時，發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡直徑在1 nm左右的占比分別為41.9%、53.3%、73.2%和69.6%。由此可以知道，當(dāng)入口壓力為1.5 MPa時，微納米氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡大小最均勻。由于進(jìn)入外部流場后，有部分氣泡速度較大，在流動過程中或者達(dá)到流域邊界后發(fā)生折回，再次經(jīng)過截面，造成截面對氣泡的二次采集現(xiàn)象，因而出現(xiàn)了經(jīng)過截面2的氣泡數(shù)量大于截面1的現(xiàn)象。隨著與發(fā)生器出口距離的增大，氣液混合物流動速度逐漸減小，有部分氣泡的動能因逐漸耗盡而懸浮在水中，所以出現(xiàn)了截面3采集統(tǒng)計到的氣泡數(shù)量明顯減少的現(xiàn)象。當(dāng)入口壓力為2.0 MPa時，通過截面3的氣泡數(shù)量依然居高不下的原因是：當(dāng)發(fā)生器入口壓力增大后，產(chǎn)生的氣泡擁有更大的動能，在通過截面3之后再次折回至該截面，從而被重新采集和統(tǒng)計。

3 微納米氣泡發(fā)生器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對其性能的影響

根據(jù)前面分析可知，當(dāng)入口壓力為1.5 MPa時，發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡數(shù)量較多，大小較均勻，因此在探討發(fā)生器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸對生成微納米氣泡的影響時，以1.5 MPa作為入口壓力。選擇圖9所示通流腔直徑(a)、擴張腔小徑(b)、擴張腔大徑(c)以及旋流腔直徑(d)4個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，改變其值并對微納米氣泡發(fā)生器進(jìn)行重新建模仿真，通過分析仿真結(jié)果探究上述4個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)生器生成微納米氣泡的影響，以期為該發(fā)生器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供方向。

圖9 微納米氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)參數(shù)選取示意

Fig.9 Selection diagram of micro-nano bubble generator structure parameter

微納米氣泡發(fā)生器的通流腔直徑a取不同值(3、5、7 mm)時的仿真結(jié)果如表2所示。由表中可知，微納米氣泡數(shù)量隨a值的增大而增大。這是因為通流腔直徑的變化對旋轉(zhuǎn)中心軸處形成的負(fù)壓氣體軸的狀態(tài)變化有直接的影響：一方面，增大通流腔直徑時，增大了氣液混合物的旋轉(zhuǎn)速度，從而降低了負(fù)壓氣體軸中心處的壓力，使得此處的氣體進(jìn)一步分裂；另一方面，增大通流腔直徑，增大了負(fù)壓氣體軸的直徑以及負(fù)壓氣體軸處的氣體與高速旋轉(zhuǎn)的氣液混合物的接觸面積，從而增強了二者之間的剪切作用，這使得在負(fù)壓氣體軸處的氣體被更加充分地剪切。因此，合理增大通流腔直徑，有利于減小氣泡的直徑，增加氣泡的數(shù)量。

表2 通流腔直徑取不同值時的仿真結(jié)果

Table 2 Simulation results under different values of flow chamber diameter

截面a/mm不同直徑的氣泡數(shù)量直徑為0.01nm直徑為0.1nm直徑為1nm直徑為10nm123336885320532621354710034672131253475718975832871642836112978413866712568125788265116215778131769154120153387357200431976596881832525967108401200764342

微納米氣泡發(fā)生器的擴張腔小徑b取不同值(1.5、1.9、2.3 mm)時的仿真結(jié)果如表3所示。由表中可知，當(dāng)b=1.5 mm時產(chǎn)生的微納米氣泡較稀少，當(dāng)b取1.9、2.3 mm時產(chǎn)生的微納米氣泡比較接近。這是因為擴張腔小徑影響的是流過氣液混合物的流動狀態(tài)，根據(jù)伯努利方程可知：減小擴張腔小徑，有利于提高氣液混合物的流動速度，但同時限制了流過的氣泡數(shù)量；增大擴張腔小徑，則降低了氣液混合物的流動速度和湍流強度。因此，改變擴張腔小徑對于增加微納米氣泡數(shù)量和減小直徑均無明顯的影響。

表3 擴張腔小徑取不同值時的仿真結(jié)果

Table 3 Simulation results under different values of small expansion chamber diameter

截面b/mm不同直徑的氣泡數(shù)量直徑為0.01nm直徑為0.1nm直徑為1nm直徑為10nm1231.527489215573103271.9471003467213125342.3971486769523113671.535516520057123581.9681257882651162152.3521401283152127681.587731635220131.996881832525962.3167198207412731

微納米氣泡發(fā)生器的擴張腔大徑c取不同值(6.4、7.2、8.0 mm)時的仿真結(jié)果如表4所示。由表中可知，當(dāng)c取6.4、8.0 mm時產(chǎn)生的微納米氣泡均比c取7.2 mm時稀少。這是因為與擴張腔小徑相似，擴張腔大徑影響的是流過氣液混合物的流動狀態(tài)，因此改變其值對于增加微納米氣泡數(shù)量和減小直徑均無明顯的影響。

微納米氣泡發(fā)生器的旋流腔直徑d取不同值(40、44、48 mm)時的仿真結(jié)果如表5所示。由表中可知，微納米氣泡數(shù)量隨d值的增大而增大。這是因為旋流腔直徑的改變直接影響了腔內(nèi)氣液混合物以及旋轉(zhuǎn)中心軸處的負(fù)壓氣體軸的狀態(tài)。增大旋流腔直徑，在增大負(fù)壓氣體軸直徑和降低該處氣體壓力的同時，也增大了高速旋轉(zhuǎn)混合物的旋轉(zhuǎn)速度，這使得在增強高速旋轉(zhuǎn)混合物與負(fù)壓氣體軸之間剪切作用的同時，也增強了其與流入腔內(nèi)的氣液混合物的剪切作用，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的氣泡的直徑減小，氣泡的數(shù)量增加。

表4 不同擴張腔大徑時的仿真結(jié)果

Table 4 Simulation results under different values of large expansion chamber diameter

截面c/mm不同直徑的氣泡數(shù)量直徑為0.01nm直徑為0.1nm直徑為1nm直徑為10nm1236.443985747297102537.2471003467213125348.048993529643109786.4581036452019112367.2681257882651162158.0631098756398119656.46553976813527.296881832525968.08679110241469

表5 旋流腔直徑取不同值時的仿真結(jié)果

Table 5 Simulation results under different values of swirl chamber diameter

截面d/mm不同直徑的氣泡數(shù)量直徑為0.01nm直徑為0.1nm直徑為1nm直徑為10nm12340259647210785247444710034672131253448891501389062136244053136654207680144468125788265116215488914854923512175440763571507882344968818325259648128401213764297

綜上所述，改變通流腔直徑和旋流腔直徑，會影響旋轉(zhuǎn)中心軸處形成的負(fù)壓氣體軸及流動混合物的運動狀態(tài)，適當(dāng)增大其參數(shù)(即增大負(fù)壓氣體軸處的氣體在外部液體和內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)液體之間的縫隙的剪切作用)，可以增加生成的微納米氣泡數(shù)量；改變擴張腔小徑和擴張腔大徑，會影響液體經(jīng)過通流截面的參數(shù)，從而影響流體狀態(tài)和紊流的劇烈程度，分析發(fā)現(xiàn)增大或減小擴張腔大徑時，生成的微納米氣泡數(shù)量均減小。

4 結(jié)論

(1)微納米氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡數(shù)量隨入口壓力的增大呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢，當(dāng)入口壓力為1.5 MPa時其產(chǎn)生的氣泡數(shù)量最多。

(2)在不同入口壓力下，微納米氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡大小比較均勻，其直徑主要分布于1 nm左右。當(dāng)微納米氣泡發(fā)生器的入口壓力為1.5 MPa時，其產(chǎn)生直徑在1 nm左右的氣泡占比最高，達(dá)到69.6%，此時產(chǎn)生的氣泡大小最均勻。

(3)從節(jié)能環(huán)保角度考慮，在可以獲得大量且均勻的微納米氣泡的前提下，選擇1.5 MPa作為微納米氣泡發(fā)生器的最佳工作壓力。

(4)在通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)提高微納米氣泡發(fā)生器的性能時，可以適當(dāng)提高通流腔直徑和旋流腔直徑的值，而改變擴張腔小徑和擴張腔大徑對于提高該微納米氣泡發(fā)生器的性能均無明顯的效果。