短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥設(shè)計(jì)與破碎能力檢測(cè)

張紹英 吳 雪 劉 斌 郭 華

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院， 北京 100048；3.廊坊通用機(jī)械制造有限公司， 廊坊 065001)

0 引言

高壓射流破碎可產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切、摩擦、拉伸、碰撞作用，尤其能產(chǎn)生百兆帕級(jí)的水力空化沖擊能[1-5]，是制備納米級(jí)乳液和懸液的有效方法[6]。

高壓射流破碎中的能量轉(zhuǎn)化部件為射流閥。為了提升速度梯度，強(qiáng)化剪切、碰撞等作用，射流閥常采用流道結(jié)構(gòu)固定的微孔閥，多見(jiàn)直孔閥、折向孔閥和對(duì)撞閥3種結(jié)構(gòu)形式。相同壓力下，直孔閥的液流速度梯度大、剪切作用強(qiáng)；折向孔閥的碰撞、湍流作用顯著；對(duì)撞閥則是強(qiáng)化了射流撞擊作用[7]。3種射流閥在結(jié)構(gòu)及動(dòng)力參數(shù)上均未對(duì)水力空化進(jìn)行合理規(guī)劃、有效控制和高效利用，對(duì)強(qiáng)度較高的硬、韌性顆粒的破碎能力弱。并且，出閥孔的液流中無(wú)效動(dòng)能殘留可達(dá)系統(tǒng)輸入總能量的40%～60%。因此，本文通過(guò)射流閥的幾何和流體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，探索強(qiáng)化水力空化沖擊能、減少無(wú)效能量產(chǎn)生的方法。

1 短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥技術(shù)方案

水力空化發(fā)生時(shí)可形成穩(wěn)定空泡(蒸汽泡)和非穩(wěn)定空泡(真空泡)。蒸汽泡主要由溫度、壓力變化導(dǎo)致的液氣相轉(zhuǎn)換產(chǎn)生；真空泡則由流速驟升導(dǎo)致的流體連續(xù)性破壞產(chǎn)生?？张莸臐缫话愣及殡S壓力的升高以及流速、溫度的降低[8-11]。

根據(jù)水力空化經(jīng)典理論，空化數(shù)σ是判定水力空化的初生條件，而流體在某處的壓力低于空化初生臨界壓力是穩(wěn)定空泡在該處產(chǎn)生的基本條件?？栈瘮?shù)計(jì)算公式為

(1)

式中p∞——穩(wěn)定流場(chǎng)中某處的壓力

v∞——穩(wěn)定流場(chǎng)中某處的速度

ρ——液體密度

pv——飽和蒸汽壓

當(dāng)邊壁結(jié)構(gòu)、流體構(gòu)相比較復(fù)雜時(shí)，用空化數(shù)及空化初生臨界壓力判斷蒸汽泡產(chǎn)生的離散度大，以流體在“某處壓力低于該處的飽和蒸汽壓”作為蒸汽泡產(chǎn)生的基本條件則更具實(shí)用性。真空泡的形成條件復(fù)雜，尤其是在多組分高速液流瞬間通過(guò)微孔時(shí)尤為復(fù)雜。但原則上，流道內(nèi)的速度梯度越高，形成真空泡的可能性越大；在流動(dòng)方向上流道內(nèi)速度不降、壓力不升，則潰滅的可能性較小。

理論上，蒸汽泡產(chǎn)生量多，潰滅沖擊能總量也多。但當(dāng)蒸汽泡存量過(guò)多且不能同時(shí)潰滅時(shí)，潰滅沖擊能易被周?chē)恼羝菸债a(chǎn)生能量自噬。大量可伸縮性蒸汽泡的存在，既不利于真空泡的形成，又會(huì)吸收真空泡潰滅的沖擊能。另外，根據(jù)射流閥的結(jié)構(gòu)和流體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，為了獲得高能量密度的潰滅沖擊能，既要促進(jìn)真空泡的形成、抑制蒸汽泡的產(chǎn)生，又需控制空泡的集中潰滅，以利于提升能量級(jí)別，匯聚能量密度。

為了進(jìn)一步強(qiáng)化射流閥的水力空化作用，提高能量量級(jí)和能效，提出了一種短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥技術(shù)方案(圖1)[12]。其技術(shù)要點(diǎn)及預(yù)期效果包括：

(1)在閥孔內(nèi)造就速度漸升的高速液流，促進(jìn)真空泡形成。

(2)通過(guò)縮短射流的管程，抑制蒸汽泡的發(fā)育。

(3)利用多股射流共點(diǎn)交匯形成的“水力靶板”效應(yīng)，使液流降速、升壓，實(shí)現(xiàn)射流中空泡的集中潰滅，產(chǎn)生沖擊能匯聚。

(4)利用射流對(duì)撞，將出閥孔高速射流中的無(wú)效動(dòng)能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為沖擊破碎能，提高能效。

短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥(圖1)由圓盤(pán)狀的蓋片和槽片疊合構(gòu)成，利用封蓋閥槽形成共點(diǎn)交匯的多個(gè)閥孔。載有物料的高壓液流經(jīng)由進(jìn)料孔注入分流環(huán)槽，并由分流環(huán)槽分別進(jìn)入各閥孔，在各閥孔中形成多股高速射流共點(diǎn)交匯后由匯流孔排出。

高壓液流在閥孔進(jìn)口及閥孔內(nèi)的短程、急劇加速過(guò)程有助于真空泡的形成，而在交匯點(diǎn)處的集中潰滅有助于潰滅沖擊能的匯聚。

對(duì)于短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥而言，液流壓力是破碎能產(chǎn)生的基礎(chǔ)動(dòng)力，而射流閥構(gòu)造及幾何參數(shù)配置決定著壓力能轉(zhuǎn)化為破碎能的效率。壓力越高，轉(zhuǎn)化的各種破碎能量的量級(jí)越高。在滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的前提下，為保證超微破碎效果和能效，短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥的作業(yè)壓力宜在100 MPa以上。

2 短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)

在液料構(gòu)成及操作參數(shù)不變時(shí)，與破碎能力相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有閥孔徑d、孔深L以及出口到水力靶板的距離S(圖2)。

2.1 閥孔徑d

d的確定，既要保證破碎能轉(zhuǎn)化效率，又要兼顧物料的通過(guò)性。閥孔徑越小，產(chǎn)生的破碎作用越強(qiáng)，而大孔徑則會(huì)降低徑向速度梯度，產(chǎn)生無(wú)效流量。射流破碎前，顆粒物料一般進(jìn)行預(yù)微粉碎處理。為與預(yù)破碎對(duì)接，并保證200目以下顆粒全部通過(guò)，應(yīng)使d≥75 μm。

2.2 閥孔深L

L直接與促進(jìn)真空泡的形成、抑制蒸汽泡的發(fā)育有關(guān)。空泡的生命周期包括初生、聚并和膨脹、收縮、潰滅階段，整個(gè)生命周期僅為數(shù)十微秒[13]。為避免空泡在閥孔內(nèi)潰滅，L的確定原則是使液流流經(jīng)閥孔的時(shí)間短于空泡的生命周期。依據(jù)上述原則確定L時(shí)，還需兼顧閥孔內(nèi)液流流速、壓力以及d。另外，閥孔是由封蓋閥槽形成，為形成接合面處的密封帶，L取值應(yīng)大于并接近0.5 mm，作業(yè)壓力越高L宜越大。

2.3 出口到水力靶板的距離S

空泡充分發(fā)育并能產(chǎn)生撞擊壓力脈沖時(shí)，存在與壓力無(wú)關(guān)、僅與d和S有關(guān)的無(wú)因次最優(yōu)噴距(S/d為8～15)[14]。由于出閥孔后的高速射流存在明顯的散射，為保證共點(diǎn)交匯和空泡集中潰滅，在無(wú)因次最優(yōu)噴距范圍內(nèi)，S/d的取值以偏低為宜。

2.4 短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥模擬

高壓射流破碎處理的物料可為液-液、液-膠和液-固混合態(tài)，流場(chǎng)內(nèi)狀態(tài)復(fù)雜，而空化效應(yīng)進(jìn)一步加劇了流態(tài)的復(fù)雜程度。另外，水力空化不僅與溫度、壓力和流速3個(gè)標(biāo)志性參數(shù)相關(guān)，還受流體粘度、表面張力、雜質(zhì)種類(lèi)及含量、邊壁狀態(tài)等多重因素影響[2-3]。水力空化發(fā)生時(shí)，空泡的生成、生長(zhǎng)及潰滅僅持續(xù)數(shù)十微秒[13]。因此，射流破碎過(guò)程中的水力空化是影響因素多、關(guān)聯(lián)關(guān)系極其復(fù)雜的瞬間過(guò)程，通過(guò)理論解析或儀器監(jiān)測(cè)極其困難。目前，常利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational fluid dynamics， CFD)[15-20]和間接現(xiàn)象檢測(cè)[21-24]對(duì)空化的發(fā)生進(jìn)行數(shù)值模擬和間接評(píng)判。

參照關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定依據(jù)及選值限制條件，確定d=75 μm；S分別為0.5、1.0、2.0 mm；壓力分別為100、200、300 MPa后，確定了圖2中虛線框標(biāo)識(shí)的計(jì)算域(圖3)。

應(yīng)用Fluent數(shù)值分析軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，基本控制方程和湍流模型方程為[9]

(2)

(3)

(4)

式中U——速度矢量，m/s

p′——流體微元體上壓力，Pa

μ——?jiǎng)討B(tài)粘度，Pa·s

μeff——有效粘度，Pa·s

k——湍動(dòng)能，m2/s2

ε——湍動(dòng)耗散率，m2/s3

Cμ——常數(shù)

?——張量積運(yùn)算符號(hào)

對(duì)射流閥孔內(nèi)及進(jìn)、出口附近區(qū)域的壓力和速度分布進(jìn)行了模擬(圖4)，以考察閥孔內(nèi)壓力、速度變化，為短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥的閥孔結(jié)構(gòu)和操作壓力匹配提供理論參照。

由圖4可見(jiàn)，閥孔內(nèi)存在大面積高速(5.5×102～1.2×103m/s)流區(qū)域，表明進(jìn)口至出口液流加速顯著，具備促進(jìn)真空泡產(chǎn)生的基礎(chǔ)條件。各種參數(shù)配置下，在距出口0.5 mm以外區(qū)域流速快速下降、流束明顯散射。

另外，由壓力云圖可見(jiàn)，閥孔內(nèi)壓力均低于一般作業(yè)溫度(20～80℃)下的飽和蒸汽壓，故應(yīng)盡量減小L，以避免蒸汽泡在閥孔內(nèi)的發(fā)育、潰滅[13]。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)L<1.0 mm時(shí)，液流通過(guò)閥孔的時(shí)間可控制在2×10-6s，遠(yuǎn)低于蒸汽泡的生命周期。

綜上分析，短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥整體技術(shù)方案中的短流道配置，存在促進(jìn)真空泡形成、抑制蒸汽泡發(fā)育的可能性。S的取值控制在0.5 mm附近，即可使含有真空泡的多股射流共點(diǎn)交匯、集中潰滅，在交匯處匯聚微爆沖擊能。

由CFD模擬的短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥閥孔及進(jìn)、出口附近的壓力及速度場(chǎng)，僅分布在φ3 mm×0.1 mm的狹小空間內(nèi)，閥出口外0.5 mm處即為交匯對(duì)撞點(diǎn)，在不改變閥結(jié)構(gòu)和保證密封性的前提下，已無(wú)傳感器的布置空間，故未能對(duì)CFD模擬結(jié)果進(jìn)行直接檢測(cè)。

3 破碎效果驗(yàn)證

依據(jù)關(guān)鍵參數(shù)確定依據(jù)，以NCJJ-0.2/200型射流破碎機(jī)(廊坊通用機(jī)械制造有限公司，操作壓力0～200 MPa，最大處理量200 L/h)為試驗(yàn)平臺(tái)(圖5a)，選擇、確定了一組用于微晶纖維素超微細(xì)化的閥結(jié)構(gòu)(圖5b)和運(yùn)行參數(shù)(6槽，d=120 μm，L=0.9 mm，S=0.75 mm)，對(duì)短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥技術(shù)方案的有效性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，并與試驗(yàn)平臺(tái)上配備的直孔閥(3孔，d=200 μm，L=1.5 mm)的水力空化及破碎性能進(jìn)行了比較。

3.1 材料與方法

3.1.1材料

微晶纖維素(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)、亞甲基藍(lán)(C16H18CIN3S·3H2O，相對(duì)分子量373.90，分析純，福晨(天津)化學(xué)試劑有限公司，亞甲基藍(lán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)98.5%以上)、蒸餾水、20℃無(wú)離子水。

3.1.2儀器與方法

(1)亞甲基藍(lán)(MB)自由基檢測(cè)[21]：UVmini-11240型紫外-可見(jiàn)分光光度儀(日本島津公司)。波長(zhǎng)范圍：190～1 100 nm； 波長(zhǎng)正確度: ±1 nm；基線平直度：±0.010 Abs。亞甲基藍(lán)濃度為8 μmol/L。

(2)破碎效果檢測(cè)：Phenom ProX CeB6型飛納臺(tái)式掃描電鏡(荷蘭Phenom-World公司)。上樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02%、導(dǎo)電膠承托、晾干噴金。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1強(qiáng)化水力空化效果觀察及檢測(cè)

圖6為8 μmol/L亞甲基藍(lán)溶液原樣以及150 MPa壓力下分別通過(guò)直孔閥和短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥后的褪色效果。由圖6可見(jiàn)，通過(guò)兩種閥后的亞甲基藍(lán)溶液均有褪色，表明處理過(guò)程有羥自由基產(chǎn)生。短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥的褪色效果優(yōu)于直孔閥，表明強(qiáng)化水力空化措施有效。

用亞甲基藍(lán)自由基檢測(cè)方法[21]對(duì)兩種射流閥的空化效果進(jìn)行了量化檢測(cè)，回歸標(biāo)定出的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為

A=0.029 4x+0.039 4

(5)

式中A——亞甲基藍(lán)溶液664 nm處的吸光度

x——亞甲基藍(lán)溶液濃度，μmol/L

羥自由基捕獲量計(jì)算公式為

C·OH=(A1-A2)/0.029 4

(6)

式中C·OH——羥自由基捕獲量，μmol/L

A1——8 μmol/L亞甲基藍(lán)溶液在664 nm處的吸光度

A2——經(jīng)過(guò)射流閥后亞甲基藍(lán)溶液在664 nm處的吸光度

由式(6)計(jì)算出的羥自由基捕獲量見(jiàn)表1。與直孔閥相比，采用水力空化強(qiáng)化措施后的短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥的羥自由基捕獲量提升了41%。

表1 兩種射流閥處理后樣品中的羥自由基捕獲量Tab.1 Yield of ·OH by different jet nozzles

試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在壓力大于100 MPa時(shí)，液流經(jīng)過(guò)短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥時(shí)可產(chǎn)生強(qiáng)烈的水激振動(dòng)，每次過(guò)閥后料溫升高20～22℃，較直孔閥溫升提高約10℃?？鄢郎厣芎暮螅坛躺淞鞴颤c(diǎn)交匯對(duì)撞閥可將出閥口射流中無(wú)效動(dòng)能的60%～80%轉(zhuǎn)化為參與破碎的有效能。

3.2.2對(duì)微晶纖維素超微細(xì)化效果

在試驗(yàn)壓力150 MPa時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的微晶纖維素懸液分別由直孔閥和短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥處理3次后的外觀形態(tài)見(jiàn)圖7。

由圖7可見(jiàn)，射流破碎后原直徑20 μm的棒狀微晶纖維素的整體結(jié)構(gòu)已被碎解，并暴露出大量直徑約數(shù)十納米的細(xì)纖束。與直孔閥相比，短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥能得到更細(xì)的纖維束，且纖維束輪廓更模糊，產(chǎn)物也呈現(xiàn)準(zhǔn)溶膠體系的形態(tài)。

根據(jù)纖維素構(gòu)造理論[25]初步判斷為，射流破碎不僅可破壞微晶纖維素的整體結(jié)構(gòu)，并能進(jìn)一步肢解直徑25～30 nm的大原纖構(gòu)造，而使直徑約15 nm的微原纖構(gòu)造暴露出來(lái)。上述現(xiàn)象印證了短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥具有對(duì)硬韌性生物原料進(jìn)行超微細(xì)化的能力。

3.2.3微晶纖維素懸液的形態(tài)變化

微晶纖維素分散在水中時(shí)表現(xiàn)為典型的懸液特征，停止擾動(dòng)后可快速沉降，經(jīng)射流破碎處理后，一是沉降速度變緩，二是濁相體積明顯增加。破碎次數(shù)增加該現(xiàn)象加劇，且短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥較直孔閥表現(xiàn)更加突出。

圖8為經(jīng)短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥分別處理1、2、3次后的質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%微晶纖維素懸液的沉降效果(靜置時(shí)間72 h以上)。處理3次時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%微晶纖維素懸液已呈現(xiàn)出準(zhǔn)溶膠體系的特征，粘度、流動(dòng)性、體系穩(wěn)定性均顯著增加。這表明微晶纖維素經(jīng)短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥處理后可釋放纖束間的親水組分，暴露出更多的無(wú)定型結(jié)構(gòu)區(qū)域。

4 結(jié)論

(1)相同運(yùn)行條件下，短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥較直孔閥羥自由基捕獲量提高了41%；證明強(qiáng)化水力空化措施促進(jìn)了潰滅沖擊能的產(chǎn)生。

(2)短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥能將微晶纖維殼層破碎，并能進(jìn)一步打開(kāi)大原纖結(jié)構(gòu)，剝離出直徑約15 nm的微原纖，使典型懸液體系向準(zhǔn)溶膠體系轉(zhuǎn)變，可作為生物材料超微細(xì)化和改性處理的有效方法。

(3)短程射流共點(diǎn)交匯對(duì)撞閥可將出閥孔射流中無(wú)效動(dòng)能的60%～80%轉(zhuǎn)化為對(duì)撞破碎能。