旋轉(zhuǎn)齒筒式水力空化器內(nèi)空化過程

袁惠新，王赟冰，付雙成，周發(fā)戚，周龍遠(yuǎn)，陸健

常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院江蘇省綠色過程裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（常州 213164）

在一定溫度下，液體中由于局部低壓（低于相應(yīng)溫度下該液體的飽和蒸汽壓）使液體蒸發(fā)而引起的微汽泡爆發(fā)性生長(zhǎng)的現(xiàn)象被稱為空化初生[1]，當(dāng)液體壓力回復(fù)時(shí)，汽泡群潰滅。這種汽泡群在液體中生長(zhǎng)、發(fā)展、潰滅及由此發(fā)生的一系列物理、化學(xué)反應(yīng)被稱為空化?？栈菰跐鐣r(shí)瞬間產(chǎn)生巨大能量并在流體中形成強(qiáng)射流，泡面射流速度可達(dá)100 m/s[2]，可使大分子主鏈上的碳鍵斷裂，同時(shí)破壞微生物細(xì)胞壁，使得高分子有機(jī)物降解并且使微生物失活。水力空化可以用于強(qiáng)化許多工藝過程及污水處理和生物化工等方面[3-6]，空化技術(shù)在食品工業(yè)處理方面也有了迅速和更為廣泛的發(fā)展[7]?？栈夹g(shù)可應(yīng)用于液態(tài)食品的殺菌、混合、均質(zhì)和乳化等加工過程，朱孟府等[8]研究發(fā)現(xiàn)利用水力空化設(shè)備可有效去除水中的有機(jī)物和微生物，其中大腸桿菌的去除率達(dá)99.99%。

常用的水力空化裝置主要有孔板和文丘里管兩種[9]，此類空化器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，空化強(qiáng)度低，無法滿足工業(yè)上大規(guī)模、高效的處理要求。除此之外，射流管、液哨及齒盤式空化器等新一代水力空化裝置尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段且空化強(qiáng)度仍不理想[10-11]。與空化形式單一的靜設(shè)備相比，旋轉(zhuǎn)齒筒式水力空化器產(chǎn)生空化的機(jī)理是由復(fù)雜流場(chǎng)中各種力復(fù)合而成（以剪切力和離心力為主），擺脫了傳統(tǒng)的產(chǎn)生空化方式，可在空化器內(nèi)產(chǎn)生群空化，空化強(qiáng)度大、空化效率高，因此對(duì)空化器空化性能的研究具有重要意義。

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent 19.0模擬齒筒式水力空化器的基本空化性能，以及齒結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空化性能的影響。分析空化器內(nèi)空化發(fā)生機(jī)理、流體空化特性，從而對(duì)齒筒空化器的進(jìn)一步探索、優(yōu)化和應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。

1 計(jì)算模型、計(jì)算方法及邊界條件

1.1 計(jì)算模型

以在前人基礎(chǔ)上改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)齒筒式水力空化器為例研究，并對(duì)其結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化[12]。齒筒式空化器主要由靜筒和轉(zhuǎn)筒組成，轉(zhuǎn)筒直徑160 mm。如圖1所示，靜筒與轉(zhuǎn)筒同軸，靜筒上具有凸出的齒，轉(zhuǎn)筒上具有盲孔，齒孔間形成的空間為物料流動(dòng)通道，空化則發(fā)生在轉(zhuǎn)筒的盲孔內(nèi)。靜筒上的齒和轉(zhuǎn)筒上的盲孔在軸向等距分布有9圈，齒孔軸向?qū)R，周向等角度分布有20個(gè)。靜筒上的齒（定齒）與轉(zhuǎn)筒表面有一定間隙（2 mm），形成剪切空間。圖1中（a）（b）分別為圓齒靜轉(zhuǎn)筒，（c）（d）分別為正方形齒靜轉(zhuǎn)筒。其中，方齒橫截面與圓齒橫截面積相同，圓齒橫截面半徑為6 mm。

圖1 物理模型

采用ANSYS ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將流體模型分為4個(gè)部分：入口區(qū)域、轉(zhuǎn)筒盲孔區(qū)域、定齒間區(qū)域和出口區(qū)域，以interface面進(jìn)行連接。其中入口區(qū)域與出口區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，轉(zhuǎn)筒盲孔和定間區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)分別為2 416 738（圓齒）和2 439 727（方齒）。生成的流體區(qū)域網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.2 計(jì)算方法及邊界條件

利用計(jì)算流體軟件ANSYS Fluent進(jìn)行運(yùn)算，選用壓力基瞬態(tài)求解器；選用Mixture多相流模型，不考慮氣液兩相間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；采用Realizable k-ε湍流模型，模型可更好地模擬圓孔射流問題；壁面處理采用增強(qiáng)壁面函數(shù)；選用Zwart-Gerber-Belamri空化模型，劉厚林等[13]研究表明，在大流量系數(shù)下，該空化模型的預(yù)測(cè)精度更高；壓力速度耦合采用PISO算法，其他項(xiàng)均選用具有絕對(duì)穩(wěn)定特性的一階迎風(fēng)格式。

Realizable k-ε湍流模型中湍動(dòng)能及耗散率輸運(yùn)方程為：

式中：C1=max[0.43η/（η+5）]，η=S×k/ε，Gk由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；Gb由浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε、C2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，F(xiàn)LUENT中默認(rèn)值為C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09、C2=1.9；σk、σε分別為湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，F(xiàn)LUENT中默認(rèn)值為σk=1.0、σε=1.3；k和Sε是用戶定義的湍動(dòng)能項(xiàng)和湍流耗散源項(xiàng)。

模擬采用速度入口、壓力出口以及無滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)邊界條件。處理量為0.2 m3/h，操作壓力為1個(gè)大氣壓。流體介質(zhì)設(shè)置為常溫下的水。設(shè)置動(dòng)齒間區(qū)域網(wǎng)格為動(dòng)網(wǎng)格，計(jì)算收斂精度為10-5，進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 齒筒式空化器的空化機(jī)理

齒筒式空化器的空化初生機(jī)理主要分為以下兩部分?；诓匠痰臋C(jī)械剪切力造成的渦空化，流體流經(jīng)限流區(qū)域時(shí)，流速增大，壓力下降，從而產(chǎn)生空化。定齒與轉(zhuǎn)筒盲孔相對(duì)處為限流區(qū)域，由于定齒的存在，使得流體流動(dòng)面積突然變小，從而起到限流作用。經(jīng)節(jié)流后的流體流入轉(zhuǎn)筒盲孔，流體得到釋放，壓力回復(fù)，空泡潰滅。Bernoulli方程：

式中：ρ為液體密度，kg/m3；p為壓力，Pa；v為流動(dòng)速度，m/s。由此可得，液體中的壓力p與流速v的關(guān)系是流速越大，壓力越小，反之亦然。

另一個(gè)是由離心力造成的空化。盲孔內(nèi)液體的受力分析如圖3所示（重力在高轉(zhuǎn)速下忽略不計(jì)），由于轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)，流體受到慣性離心力Fc的作用，液體產(chǎn)生向盲孔外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，則在盲孔底部會(huì)產(chǎn)生壓力損失，使壓力降低至低于大氣壓值，壓差隨流體向外運(yùn)動(dòng)速度的增加而增加，此壓差會(huì)作用給液體一個(gè)壓差力Fp方向向內(nèi)。筒內(nèi)空化反應(yīng)穩(wěn)定時(shí)，兩力平衡，此時(shí)流體不再向外運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)c=Fp，即：

即：

式中：ρ為液體密度，kg/m3；V為盲孔內(nèi)液體體積，m3；r為半徑，取盲孔深度的一半到轉(zhuǎn)筒軸線的長(zhǎng)度，m；ω為轉(zhuǎn)速，rad/s；p1為盲孔內(nèi)負(fù)壓壓力，Pa；p2為盲孔外壓力，Pa；A為盲孔的橫截面積。由式（4）可根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)算出盲孔內(nèi)負(fù)壓力的值。

圖3 盲孔內(nèi)液體受力分析

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 速度分布

圖4是定齒分別為方齒和圓齒的情況下，轉(zhuǎn)速3 000 r/min空化器中流體的相對(duì)速度分布圖。流體流經(jīng)限流區(qū)域時(shí)流體中的氣核進(jìn)入剪切層后被具有較低渦心壓力的相干渦結(jié)構(gòu)“吸入”，并生長(zhǎng)形成空泡。從圖5局部放大圖中可看出，液體流入轉(zhuǎn)筒盲孔后在底部形成一個(gè)漩渦，這是由于液體進(jìn)入盲孔后，盲孔內(nèi)的液體徑向速度大，周向速度小，而盲孔外液體由于轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)帶有較大的周向速度，因此在盲孔內(nèi)局部區(qū)域形成一個(gè)周向速度梯度，進(jìn)而形成漩渦。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，漩渦中的湍流強(qiáng)度也會(huì)增加，這將可能造成瞬態(tài)空化的產(chǎn)生，以空化為基礎(chǔ)的化學(xué)轉(zhuǎn)變只能在瞬態(tài)空化條件下才能形成，因此，此漩渦的存在直接影響空化產(chǎn)量及空化器的應(yīng)用層面。

3.2 壓力分布

圖6分別為圓齒和方齒時(shí)空化器內(nèi)的壓力云圖。由伯努利方程可知，在定齒間存在低壓區(qū)域。由圖7可看出定齒間的低壓區(qū)域主要分布在齒前緣，這是由于轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)筒盲孔與定齒前緣先接觸，此時(shí)盲孔內(nèi)低壓流體對(duì)定齒間流體會(huì)有一個(gè)“抽吸”作用，因此對(duì)定齒前緣區(qū)域造成負(fù)壓，同時(shí)這也使得盲孔內(nèi)的低壓區(qū)域向節(jié)流點(diǎn)偏移。由于方齒齒間區(qū)域較圓齒齒間區(qū)域“封閉性”更好，即齒間流體在受到“抽吸”作用而流出后不易有其他區(qū)域的流體流入補(bǔ)充其所損失的壓力，因此，方形定齒間會(huì)有局部負(fù)壓區(qū)域存在，而圓形定齒間則沒有。

由離心液壓理論公式可知速度與壓力呈正比，在盲孔內(nèi)最外側(cè)會(huì)有一個(gè)高速液壓現(xiàn)象，而低壓區(qū)域只在靠近旋轉(zhuǎn)中心的盲孔內(nèi)產(chǎn)生，從圖中可以看出，盲孔底部壓力值已達(dá)到飽和蒸汽壓。由于在方孔和圓孔橫截面積相同的情況下，方孔周長(zhǎng)大于圓孔周長(zhǎng)，即剪切長(zhǎng)度更長(zhǎng)，因此方齒盲孔內(nèi)的負(fù)壓區(qū)域較圓齒空化器面積更大，空化泡也更容易得到充分發(fā)展。

圖4 圓齒和方齒z軸截面相對(duì)速度云圖

圖5 圓齒和方齒z軸截面局部放大相對(duì)速度云圖

圖6 圓齒和方齒z軸截面壓力云圖

圖7 圓齒和方齒z軸截面壓力云圖

3.3 汽相體積分?jǐn)?shù)分布

圖8 給出圓齒和方齒時(shí)空化器內(nèi)的汽相分布云圖。低壓是空化初生的要素之一，結(jié)合圖5可知，汽相產(chǎn)生區(qū)域大致與負(fù)壓區(qū)相對(duì)應(yīng)，方齒空化器內(nèi)的空化區(qū)域略大于圓齒空化器。在流體剛進(jìn)入空化區(qū)時(shí)，汽含率（產(chǎn)生的空泡體積占負(fù)壓區(qū)體積的百分比）為20%～30%，流體在負(fù)壓區(qū)內(nèi)充分發(fā)展以后空化率達(dá)到95%，甚至100%，由此可知流場(chǎng)中足夠的低壓段（合適的轉(zhuǎn)子盲孔深度）是確?？栈菁勰芰繒r(shí)間，即空化泡發(fā)展時(shí)間的重要因素。

圖8 圓齒和方齒z軸截面汽相分布云圖

如圖9所示，對(duì)比2種齒型空化器內(nèi)的空化泡體積分?jǐn)?shù)占比（空泡相體積分?jǐn)?shù)占流體總體積分?jǐn)?shù)的比值），結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，方齒空化器比圓齒空化器空化泡體積分?jǐn)?shù)占比高出14.3%。同時(shí)，空化器內(nèi)初期的空化過程尚未達(dá)到穩(wěn)定，因此在前0.5 s內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)空化泡體積分?jǐn)?shù)占比波動(dòng)較大的情況，此后空化器內(nèi)空泡產(chǎn)生總量隨旋轉(zhuǎn)時(shí)間的增加而平穩(wěn)發(fā)展，這說明在齒筒式空化器內(nèi)的空化過程是一個(gè)連續(xù)且穩(wěn)定的過程。在此基礎(chǔ)上，分析不同轉(zhuǎn)速下方齒空化器內(nèi)空化泡體積分?jǐn)?shù)占比隨旋轉(zhuǎn)時(shí)間的變化規(guī)律。如圖10所示，隨著轉(zhuǎn)速的提高，空化器內(nèi)局部壓力逐漸降低，負(fù)壓區(qū)域占比也隨之增大，空化區(qū)域面積隨轉(zhuǎn)速增大而增大，區(qū)域內(nèi)空化泡體積分?jǐn)?shù)亦隨之增大。這說明，適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速更有利于空泡初生，從而可以提高空化效率?；谶@一規(guī)律，后續(xù)可繼續(xù)考慮增大剪切面積對(duì)該齒筒式空化器進(jìn)行優(yōu)化研究。

圖9 3 000 r/min時(shí)方齒和圓齒空化器中空化泡體積分?jǐn)?shù)占比隨旋轉(zhuǎn)時(shí)間變化曲線

圖10 不同轉(zhuǎn)速下方齒空化器中空化泡體積分?jǐn)?shù)占比隨旋轉(zhuǎn)時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬的方法分析齒筒式水力空化器內(nèi)的流場(chǎng)，從而研究空化機(jī)理。

結(jié)果表明：（1）空化器內(nèi)的空化由離心力和剪切力復(fù)合形成。一方面流體經(jīng)過靜齒筒時(shí)受到剪切力作用，另一方面，轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)，盲孔內(nèi)液體受到強(qiáng)烈的慣性離心力作用，兩種作用力復(fù)合，使得空化現(xiàn)象在盲孔內(nèi)產(chǎn)生。（2）隨著轉(zhuǎn)速增大，負(fù)壓區(qū)域隨之增大，空化效率更高。（3）改變靜、動(dòng)齒筒上面齒的形狀，將圓齒改為方齒，可以增大剪切面積，有利于提高空化率。（4）齒筒式空化器在運(yùn)行過程中，空化過程連續(xù)穩(wěn)定，與其他現(xiàn)有空化器相比，具有空化區(qū)域大、空化率高的優(yōu)點(diǎn)，并且可以根據(jù)需要，增減齒筒長(zhǎng)度，達(dá)到增減剪切空化次數(shù)的目的，在工業(yè)應(yīng)用上更為靈活方便。