文丘里管式空化器的數(shù)值模擬

關(guān)新欣，張慶玲，王澤鵬

(青島科技大學機電工程學院，山東青島 266061)

現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展造成的全球性水污染問題越來越嚴重，嚴重影響了全球的經(jīng)濟發(fā)展[1]。當前，各個國家均十分重視水污染問題，并努力開發(fā)能夠解決水污染問題的各類方法及技術(shù)。水力空化[2-3]技術(shù)是一種新型的水處理技術(shù)[4-5]，既能夠?qū)Ω黝惒煌奈廴疚镞M行處理，還具有獨特的優(yōu)勢[6]，如能夠進行二次污染反應、結(jié)構(gòu)簡單、維修保養(yǎng)方便等。該優(yōu)點在處理有機污染物以及因生化反應導致的污染時具有特別價值[7-10]。目前，研究者對水力空化技術(shù)的研究主要集中于空化的3種形式，射流空化[11]、孔板空化[12]以及漩渦空化[13]等。但這3種空化方法均不能有效地破壞空化氣泡(即不能使其迅速破碎并釋放出能量)，因此，限制了水力空化技術(shù)的推廣。文丘里管空化裝置可以更好地解決空化氣泡有效塌陷的問題，更有效地產(chǎn)生空化效果[14-16]。

水力空化是指流體里面的壓力變低到流體的飽和壓力時，在液體的內(nèi)部或在液-固界面處氣泡生成、發(fā)展和破裂的一種現(xiàn)象[17]。水力空化是一個較為復雜的過程，只有當環(huán)境條件滿足的時候，才會在流體里面形成空化。在此前研究[18]的基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件考察了文丘里管空化裝置入口直徑、入口壓力和喉部直徑等參數(shù)對文丘里管空化裝置流場的影響，同時探究了空化器結(jié)構(gòu)對空化程度和空化流場的影響，并且以含氣率來確定空化效果最好的空化器。

1 模型及參數(shù)設(shè)置

1.1 建模及網(wǎng)格劃分

模擬試驗采用Fluent軟件，首先對文丘里管進行建模以及劃分網(wǎng)格。由于其建模后的二維模型為軸對稱圖形，因此取其一半進行數(shù)據(jù)推理即可。建立的模型及網(wǎng)格劃分見圖1和圖2。

圖1 試驗建模的二維模型

圖2 試驗建模的網(wǎng)格劃分

1.2 設(shè)置參數(shù)和算法

利用Fluent軟件對文丘里管水利空化器的性能進行模擬分析。在整個模擬過程中，需要對進出口的邊界條件以及材料的物性參數(shù)分別進行設(shè)置。假定水為不可壓縮流體，空氣溫度設(shè)置為25 ℃。

1.3 網(wǎng)格相關(guān)性驗證

對模型進行3種不同的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)分別為14萬，17萬，20萬。以含氣率為指標，得到3種網(wǎng)格劃分的相關(guān)性驗證圖，見圖3。

圖3 網(wǎng)格相關(guān)性驗證

由圖3可見：根據(jù)3種不同的網(wǎng)格數(shù)量，模擬出的結(jié)果差距很小。說明隨著網(wǎng)格數(shù)由14萬增加到20萬，數(shù)值計算結(jié)果的精度隨網(wǎng)格數(shù)量的增加變化不大，因此，為了模擬的方便與精度，選用網(wǎng)格數(shù)為17萬的模型進行模擬分析。

2 模擬結(jié)果與分析

為研究不同的結(jié)構(gòu)和尺寸的參數(shù)對空化效果的影響，通過控制變量的方法設(shè)計了8種文丘里管，設(shè)計數(shù)據(jù)見表1。通過對8種文丘里管進行選擇和分組對比，在確定某個變量為前提下，對其做模擬分析，探究管子入口直徑、喉管直徑等因素對空化效果的影響。

表1 文丘里管的結(jié)構(gòu)

2.1 入口壓力對空化器空化效果的影響

選擇2#文丘里管進行分析，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：管子入出口位置直徑均為50 mm，喉管直徑為12 mm，漸擴管長度為140 mm。模擬計算其在不同的壓力下壓力云圖的變化，結(jié)果見圖4。

系統(tǒng)中文丘里管空化器主要分為2個部分：一個是漸縮管，一個是漸擴管，其作用方式正好相反，一個是減壓、增速；另一個是增壓、減速。漸縮管及漸擴管相反的作用方式導致不同的作用效果，漸縮管的作用使喉管位置的壓力通常處于飽和蒸汽壓力之下；漸擴管又使液體在離開關(guān)口的時候盡可能恢復到入口時的壓力。通過觀察圖4，2#文丘里管在不同的壓力入口的壓力云圖，由彩色的變化可知，整體的變化趨勢一致，均在空化器的前半段，流體的壓力充分發(fā)展，在臨近喉管的時候，流體的壓力明顯降低，最后在漸擴管壓力恢復。同時，通過觀察不同壓力下的云圖，很明顯能看出其壓力恢復的速率是不同的，空化器入口的壓力越大，流體壓力恢復的速率明顯減慢。這也從側(cè)面說明隨著入口的壓力增大，流經(jīng)空化器的流體處于飽和蒸汽壓力下的時間越長，其空化的效果就會得到保證。

對于空化器，壓力云圖不能直接反映出其空化的效果。通過含氣率的變化云圖，能更直接的反映出空化器的空化效果。2#文丘里管不同壓力下含氣率云圖的變化見圖5。

圖4 2#文丘里管不同壓力下入口壓力云圖

圖5 2#文丘里管不同壓力下含氣率云圖

由圖5可見：在喉管的出口處，也就是氣相區(qū)，就出現(xiàn)了氣泡，然后在漸擴管的前段高度發(fā)展。并且隨著壓力的增加，含氣率也在增加。

導出模擬的數(shù)據(jù)繪制不同入口壓力下2#文丘里管含氣率隨壓力的變化，結(jié)果見圖6。

由圖6可見：隨著入口壓力的增大，文丘里管的含氣率也在增加，但是其增加的曲線斜率在變低，表明當入口壓力到達一定值時，含氣率就不再隨壓力增加而增大，也即存在一個較優(yōu)的入口壓力值，使空化效果達到較優(yōu)水平。

圖6 不同入口壓力下含氣率變化

2#文丘里管不同壓力條件下的湍流強度變化云圖見圖7，為更加直觀的反映湍流大小變化的情況導出模擬數(shù)據(jù)繪制變化曲線圖8。

圖7 不同壓力下的湍流大小變化情況

圖8 湍流強度值隨壓力變化曲線

由圖7和圖8可見：隨著入口壓力的增大，文丘里管的湍流強度也在不斷增大，同時其變化曲線的斜率在不斷減小并趨于平緩。結(jié)合含氣率變化圖以及湍流變化圖可知，只有在符合要求的氣液兩相區(qū)才會出現(xiàn)相關(guān)的湍動現(xiàn)象，這能使流體中產(chǎn)生的氣泡充分大，以至在氣泡破裂區(qū)隨著湍流強度的增大瞬間破滅，并產(chǎn)生高溫高壓，該現(xiàn)象較好地解釋了文丘里管的空化作用。

2.2 喉部直徑對空化器空化效果的影響

取1#、2#、3#和4#文丘里管的喉部直經(jīng)為變量，其他參數(shù)(管子入出口位置直徑、漸擴管長度)不變的情況下，考察了不同壓力下含氣率隨喉部直徑大小的變化情況，結(jié)果見圖9。

圖9 不同壓力下含氣率隨喉部直徑大小的變化情況

由圖9可見：當入口壓力為0.3～0.6 MPa時，隨著喉部直徑由10 mm逐漸增至16 mm，含氣率呈逐漸升高再減低的趨勢。但當入口壓力為0.7 MPa時，含氣率隨喉部直徑的增大呈一直降低的趨勢，這是由于流體經(jīng)過喉管受到高壓造成，即空化效果并不隨壓力的增大而變好。綜上，若喉部直徑較小，就會導致空化泡形成失敗，空化效果不佳；若喉管尺寸過大，壓力梯度就會變小，同樣不利于空化氣泡的產(chǎn)生、破滅，導致空化效果不好。

2.3 入口角度對空化器空化效果的影響

文丘里管中的空化器部件輸入位置的角度也會在一定程度上影響空化效果。選擇2#空化器進行相關(guān)研究，其中其輸出位置尺寸是50 mm，喉管直徑是12 mm，長度為12 mm，入口壓力為0.5 MPa，入口角度對空化效果的影響見圖10，對含氣率的影響見圖11。

圖10 不同入口角度產(chǎn)生的壓力云圖

由圖10可見：隨著入口角度的增大，流體壓力隨之減低。在靠近喉部的地方，流體在經(jīng)過其后半部分的時候，壓力會在短時間內(nèi)達到負壓，表明在飽和蒸汽壓力下，空化會在其后半部分進行加劇反應，而漸擴管也會在此處進行恢復。當入口角度由40°增大至55°時，其反應面積隨之增大，整體的空化效果也隨之變好。當入口角度達到60°時，負壓區(qū)的反應面積縮小，整體的空化效果會變差。也從另外的角度說明，不同大小入口角度的壓力分布也有很大的不同，同時也會讓空化進程出現(xiàn)不同的變化，此時選擇入口角度為50°時，能夠產(chǎn)生最大的空化效果。

圖11 不同入口角度對含氣率的影響

由圖11可見：藍色區(qū)域表示無空化氣泡的產(chǎn)生，這可在文丘里管的喉部以及入口位置觀察得到。其中，喉部位置的含氣率有少量的變化，表示在入口位置能夠產(chǎn)生一些少量的氣泡，接著氣泡也會慢慢增加，隨著距離上管壁越來越近，其顏色變得越來越深，代表著空化所產(chǎn)生的氣泡變得越來越多。在入口角度為40°～55°時，整個含氣率隨著漸擴管位置由中間到兩邊，顏色由淺至深慢慢變化，表明在喉管的后端，含氣率會慢慢降低，并且空化效果也越來越差。

在空化器的后端，由于壓力逐步恢復到原來的水平，其含氣率會逐步下降，空化強度也會隨之變小，表明壓力大小是空化進程中非常重要的一個因素。其中，當入口角度為60°時，整個紅色面積最小，也即含氣率最低；當入口角度達到一個最佳值時，空化效果也最好。若入口角度較小，喉部出口位置的壓力得不到明顯的改變，會導致含氣率過低；若入口角度太大，難以產(chǎn)生空化氣泡，會導致空化效果不好。綜上分析，入口角度優(yōu)選50°。

2.4 入口直徑對空化器空化效果的影響

一定時間內(nèi)流體的體積是由入口及出口直徑?jīng)Q定的。采用5組不同入口直徑的管子(2#、5#、6#、7#和8#)，入口位置壓力為0.3 MPa，考察空化器入口直徑對空化效果和含氣率的影響，結(jié)果見圖12和圖13。

圖12 不同入口直徑對壓力的影響

不同入口直徑的空化器中，5種不同尺寸大小的空化器中所產(chǎn)生的壓力有很大變化。進出口尺寸大小直接影響到重要部件漸縮管以及漸擴管的整體構(gòu)造，因此，進出口尺寸大小在空化器較多的結(jié)構(gòu)要素中發(fā)揮著非常重要的作用。由圖12可見：在漸縮管末端和喉部前端，圖標代表壓力的顏色出現(xiàn)分層變化，由于入口直徑變大，其喉部前后2個部分會有很明顯的顏色分層，而當入口直徑等于50 mm時，喉部位置的壓力變最明顯，表明當入口直徑等于50 mm時，漸縮管能起到的作用最好。當入口直徑等于50 mm時，回壓段標記的顏色較其他組要深，這也表明此時的壓力恢復速度較快，該階段的耗能是最少的，空化效果最好。

由圖13可見：當壓力分別為0.3，0.4，0.7 MPa時，含氣率隨入口直徑的增大，呈現(xiàn)顯著增高狀態(tài)，達到一個閾值后，然后慢慢下降到一定階段變成平緩狀態(tài)。當壓力為0.5，0.6 MPa時，含氣率隨入口直徑的增大而升高，在入口直徑為50 mm時達到最大閾值，然后緩慢下降。因此，入口直徑優(yōu)選50 mm。

3 結(jié)論

利用Fluent軟件，建立了文丘里管空化器的計算模型，考察了入口壓力、喉部直徑、入口的角度和入出口位置的直徑對空化效果的影響，得到了以下結(jié)論。

1)空化過程中會在喉部產(chǎn)生空化泡，并沿著漸擴管慢慢擴大，在喉部中間的部位達到最大值，并在其下半部分慢慢縮小消失。

2)入口壓力慢慢加大的情況下，空化效果也會越來越好。隨著入口位置壓力的逐漸加大，含氣率會受其影響而變大，增加的幅度會慢慢變小。表明當入口壓力等于一個閾值時，含氣率達到最大值不再隨著壓力變化而變化，增加的斜率也呈慢慢變小的趨勢。所以壓力達到閾值的時候，含氣率不再增大，而湍流動能會快速擴增，使得管內(nèi)存在的湍流變得更加強烈。

3)當結(jié)構(gòu)參數(shù)不變時，喉部的直徑會影響整個含氣率的變化。當喉部的直徑從10 mm慢慢加大到16 mm的時候，含氣率此時也會逐漸變大，而喉部直徑達到14 mm的時候，含氣率會到達最高值，然后再慢慢縮小。喉部直徑會影響到空化效果。如喉部直徑太小，則不容易產(chǎn)生空化泡，使得空化效果變差；如喉部直徑太大，則壓力會隨之變小，空化泡同樣也不容易產(chǎn)生，使得空化效果變差。

4)入口角度優(yōu)選50°，角度太小難以產(chǎn)生射流及空化泡，角度太大壓力流場會發(fā)生破壞，導致空化效果變差。

5)入口直徑優(yōu)選50 mm。入口直徑太小，空化器的恢復速度會變慢，導致空化效果變差，降低整個系統(tǒng)的空化效率，入口直徑太大，含氣率會慢慢減低，損耗動能，導致空化效果變差。