孔板通道結(jié)構(gòu)參數(shù)對空化效應(yīng)的影響

韓桂華，洪健，侯進軍，李大尉，趙孟石，裴禹，姚立明

摘要：孔板制作方便、易于更換，是產(chǎn)生水力空化效應(yīng)的主要結(jié)構(gòu)形式。為了研究孔板通道結(jié)構(gòu)參數(shù)對空化效應(yīng)的影響，通過Fluent軟件建立孔板空化裝置的仿真模型，得到孔板通道截面積、孔分布方式、孔分散程度、孔板通道表面粗糙度對水力空化效果的影響規(guī)律，即，10種孔板通道參數(shù)的氣體體積流率隨壓差的變化曲線;并以亞甲基藍溶液的空化效應(yīng)為實驗表征。結(jié)論表明：相同通道截面積條件下，多通道比單通道的空化效果好;通道截面積的增加可以有效提高空化效果;孔間距相近時，孔分布方式對空化效果無明顯影響;孔分布方式不變時，孔分散程度越小對流體的空化效果越好;孔板通道表面低粗糙度可以促進空化。可為孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：空化效應(yīng);孔板通道;結(jié)構(gòu)參數(shù);亞甲基藍溶液;氣體體積流率

DOI：10.15938/j.jhust.2022.01.014

中圖分類號： O427.4? ? ? ? 文獻標志碼： A? ? ? ? 文章編號： 1007-2683（2022）01-0108-07

Influence of Orifice Channel Structure Parameters on Cavitation Effect

HAN Guihua1，2，HONG Jian1，2，HOU Jinjun1，2，LI Dawei3，4，

ZHAO Mengshi3，4，PEI Yu3，4，YAO Liming3，4

（1.School of Mechanical and Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China;

2.Harbin Kashida Electromechanical Technology Co.， Ltd.， Harbin， 150080， China;

3.High Technology Research Institute of Provincial Science Institute， Harbin， 150001， China;

4.Heilongjiang Provincial Industrial and Technical Cooperation Center with Russia， Harbin 150001， China）

Abstract：The orifice was used for hydraulic cavitation with its manufacture and replacement easily. The orifice device cavitation simulation model was established under the Fluent software to study the influence between the structure parameters and the cavitation effect， such as the hole area， hole distribution， hole dispersion， and surface roughness. Then the change curves of the gas volume flow with pressure drop were gained， and the cavitation effect of the methylene blue solution was gained in an experiment. The conclusion shows that the cavitation effect of multiple channels is better than a single channel under the same hole area; the increase of the hole area can improve the cavitation effect; when the hole spacing is similar， the hole distribution mode has no obvious influence. When the distribution mode is unchanged， the smaller the degree of pore dispersion， the better the cavitation effect; the low surface roughness of hole can promote cavitation， and vice versa. It is the basis of orifice cavitation device parameters optimization.

Keywords：cavitation effect; orifice channel; structural parameter; methylene blue solution; vapor volume flow

0前言

水力空化技術(shù)是一種用物理手段使流體內(nèi)部發(fā)生劇烈物理反應(yīng)，并引發(fā)一系列化學反應(yīng)的技術(shù)。其原理為液體在常溫下流經(jīng)節(jié)流裝置時，流速會增加、壓力會降低，當液體的局部壓力降至飽和蒸氣壓及以下時，液體中的可溶性氣體就會析出，形成相當數(shù)量的空化泡，低壓區(qū)空化的液體會攜帶大量的空泡形成“兩相流”運動，當流體壓力增大時，空泡會在流動時瞬間潰滅（只有幾微秒的時間）并產(chǎn)生高溫（5000K）和瞬時高壓（50MPa），會形成強烈的沖擊波和速度70～180m/s的微射流，產(chǎn)生具有高化學活性的羥基自由基（·OH）和強氧化劑雙氧水（H2O2）。當其應(yīng)用于污水時，與污水中的有機污染物發(fā)生氧化反應(yīng)，空泡潰滅時的剪切力可以分解流體中的微生物等物質(zhì)，因此，可以高效的處理多種有機污染物[1-5]?？栈?yīng)是物理和化學反應(yīng)共同作用的結(jié)果，能夠產(chǎn)生此效應(yīng)的結(jié)構(gòu)類型有文丘里管式、孔板式、筒式、盤式等[6]。

孔板式水力空化器結(jié)構(gòu)簡單，易于更換孔板，便于實驗及研究，近年來國內(nèi)外學者都對孔板的空化效應(yīng)進行了一些研究。王永廣[7]針對1mm和5mm厚度的孔板，采用壓力速度耦合方式進行流場計算，通過氣含率、湍動能及流線速度矢量圖得出，5mm厚度的孔板空化效果更好。韓偉[8]通過數(shù)值分析，得出矩形孔口孔板的湍動能和雷諾應(yīng)力遠大于三角形孔和圓形孔，表明矩形孔口孔板的空化效果更好。錢錦遠[9]研究了孔板厚度、開孔率、有無中心孔以及孔間距等參數(shù)對氣含率和壓降的影響：薄壁孔板對流體壓降影響較小，開孔率表現(xiàn)敏感，開中心孔使壓降減少10%;出口壓力一定時，流速升高會抑制空化，出口壓力低時整體氣含率較高。Alister等[10]通過數(shù)值模擬研究了孔板厚度、孔徑、孔口角度等參數(shù)對流體速度、壓力梯度、氣含率和湍動能量的影響：孔板厚度和孔徑對空化效果影響顯著。Jin等[11]建立了微孔板通道模型，通過數(shù)值模擬得出節(jié)流孔長度與直徑之比（l/d）在不超過1的前提下，l/d越大壓差越大，空化效果越強，但是壓差過大會降低流體流量，導致空化效率降低，需要適當增加出口壓力保證空化效率。以上學者主要對孔板孔數(shù)、孔板厚度、孔間距、孔的形狀以及孔徑等參數(shù)進行研究，本文以此為基礎(chǔ)，系列研究孔板通道截面積粗糙度及面積變化、孔分布方式及分散程度對氣相體積流率的影響。

在孔板空化效應(yīng)應(yīng)用實驗方面，主要應(yīng)用于分解有機物、物理改性、殺菌消毒以及強化化合物制備等方面[12-15]。李志義等[16]通過碘化鉀分解、酵母細胞破壁以及纖維素水解實驗得出，水力空化對化學反應(yīng)有良好強化作用。楊會中與張曉東等[17-18]通過實驗證明甲基藍（MB）對空化產(chǎn)生的·OH有高度親和力，極易生成無色產(chǎn)物羥化亞甲基藍（MBOH），利用紫外-可見光分光光度計測出空化后的亞甲基藍溶液的吸收光譜，根據(jù)Beer定律得出亞甲基藍溶液濃度的變化所消耗的MB的量即為空化產(chǎn)生的·OH的量，能夠準確的反應(yīng)空化效果的好壞。并以此為依據(jù)進行空化效果的驗證。

通過Fluent軟件[19-20]建立孔板空化裝置仿真模型，將實際孔板通道參數(shù)代入，研究不同進出口壓差下孔板通道截面積、孔分布方式、孔分散程度及通道表面粗糙度對氣相體積流率的影響，并以亞甲基藍溶液的空化效應(yīng)為實驗表征，驗證上述影響規(guī)律，為孔板空化裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

1孔板通道內(nèi)空化特性數(shù)值模擬

1.1孔板通道建模

根據(jù)實驗裝置的結(jié)構(gòu)尺寸建立數(shù)值模擬模型，剖視圖如圖1所示，為了便于觀察流體狀態(tài)，壓力恢復(fù)區(qū)的管壁材料為有機玻璃，兩端用法蘭固定，更換孔板時便于拆裝。

本次模擬所用的孔板類型如圖2所示。

以孔板1為例，建立流體三維模型，如圖3所示。

由圖3所示，流體控制容積分為3部分：入口段、孔板通道、出口段。入口段直徑為40mm，長度為30mm;孔板通道長度為5mm;出口段直徑為50mm，長度為220mm。不同參數(shù)的孔板通道的結(jié)構(gòu)尺寸各異，其余控制容積尺寸皆相同。

用前處理軟件ICEMCFD對流體劃分網(wǎng)格，以單孔通道為例，得到網(wǎng)格如圖4所示。

網(wǎng)格質(zhì)量會影響計算收斂性，網(wǎng)格質(zhì)量正常取值在0～1之間，比值1為理想網(wǎng)格;角度要求網(wǎng)格取值在0°～90°之間，90°為理想網(wǎng)格，CFD要求角度達到18°以上。網(wǎng)格角度和質(zhì)量檢測如表1、2所示。

將ICEM生成的.msh格式網(wǎng)格文件導入Fluent中，各參數(shù)及邊界條件設(shè)置如下：

1）求解形式：選擇以壓力為基礎(chǔ)，時間類型為瞬態(tài)，重力加速度方向為y軸正方向，值為9.81m/s2，操作環(huán)境溫度為300K，環(huán)境壓力為標準大氣壓0.1MPa。

2）湍流模型設(shè)置：混合相模型為mixture，氣相與液相之間有滑移，滑移模型為schillernaumann，阻力因子為brucato，粘性模型選擇可實現(xiàn)模型（realizable k-ε），增強壁面處理方式選擇thermal effects。

3）流體為水（waterliquid）和水蒸氣（watervapor），水密度為998.2kg/m3，黏度為0.001kg/（m·s），水蒸氣密度為0.02558kg/m3，黏度為1.26×10-6kg/（m·s）。

4）空化模型設(shè)置：質(zhì)量傳輸?shù)氖紫酁樗蜗酁樗魵?，空化模型選擇ZGB模型（zwartgerberbelamri），飽和蒸氣壓設(shè)置為3540Pa，自由蒸氣溫度為300K?？栈酥睆綖?.0×10-6m，成核區(qū)域體積分數(shù)為0.0005，蒸發(fā)系數(shù)為50，凝結(jié)系數(shù)為0.01，湍動影響因子為0.39。

5）邊界條件：壓力入口的湍動強度設(shè)置為5%，水力直徑設(shè)置為40mm，溫度設(shè)置為300K。壓力出口為0MPa，即大氣壓力，回流湍動強度為5%，回流水力直徑設(shè)置為50mm，溫度為300K。

6）求解方法：選擇壓力隱式算法（PISO），動量控制方程的離散格式采用計算精度較高的二階迎風格式。

1.2孔板通道內(nèi)流體空化特性

有機玻璃管氣穴圖像如圖5所示：

數(shù)值模擬中的氣相分布如圖6所示：

2數(shù)值模擬

2.1通道截面積對空化效果的影響

為了研究通道截面積對空化效果的影響，建立2種增加通道截面積的模型，如圖2中的孔板1、孔板2、孔板3、孔板4和孔板5所示，方式一：孔板通道直徑不變?yōu)?mm，增加通道數(shù)量，分別為兩孔（孔板2）和五孔（孔板3）;方式二：孔板通道數(shù)量不變，增加通道直徑，使截面積分別增加到孔板1的2倍（孔板4）和5倍（孔板5），孔板1的通道截面積為2.25πmm2。

通過改變?nèi)肟趬毫μ骄繅翰顚装逋ǖ纼?nèi)氣相體積流率的影響，分析不同壓差和孔板通道類型對空化效果的影響，氣相體積流率如表3所示。

氣相體積流率與壓差的關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知，隨著壓差變化，孔板3和孔板5的氣相體積流率明顯高于其余類型的孔板，說明通道截面積的增加可以有效提高空化效果。壓差增加使氣相體積流率不斷上升，并且孔板3的氣相體積流率皆高于孔板5，孔板2的氣相體積流率皆高于孔板4，說明多通道比單通道更利于提高空化器的空化效果。由于空化產(chǎn)生于孔板通道內(nèi)固體壁面附近，相同通道截面積條件下，多通道比單通道與流體的接觸面積更大，使流體獲得更大的空化區(qū)域，各孔板通道內(nèi)壁面積如表2所示。

由表4可知，孔板2比孔板4的通道面積大，孔板3比孔板5的通道面積大，所以孔板2的氣相體積流率大于孔板4的，孔板3的氣相體積流率大于孔板5的。

2.2孔分布方式對空化的影響

出口壓力設(shè)置為0MPa，即大氣壓力，入口壓力為0.2～1.0MPa，孔板3、孔板6和孔板7在不同壓差條件下的氣相體積流率如圖7所示。

由圖8可知，隨著壓差升高，3個孔板得到的氣相體積流率不斷上升，空化效果由大到小依次為孔板3 、孔板7 、孔板6，但是除了在0.7MPa時孔板3的氣相體積流率較大，其余在各壓差下的差值均小于0.4×10-5m3/s，說明在孔間距相近的條件下，孔分布方式對空化效果影響較小。

2.3孔分散程度對空化的影響

不同壓差條件下，不同孔分散程度的氣相體積流率如圖9所示。

由圖9可知，隨著壓差升高，4種孔板得到的氣相體積流率不斷上升，各孔板的氣相體積流率從大到小依次為孔板3、 孔板8 、孔板9 、孔板10，并且通過孔板3得到的氣相體積流率明顯高于其余孔板，說明孔分散程度越小，空化器的空化效果越好。

2.4孔板通道表面粗糙度對空化效果的影響

出口壓力設(shè)置為0MPa，即大氣壓力，入口壓力為0.2～1.0MPa，孔板1不同表面粗糙度通道得到的氣相體積流率如圖10所示。

由圖10可知，表面粗糙度的增加提高了氣相體積流率。在粗糙度為6.3、12.5、25μm時，氣相體積流率近似，壓差為0.2～0.6MPa，粗糙度為12.5μm孔板空化效果最好，壓差為0.7～1.0MPa，粗糙度為6.3μm孔板空化效果最好，說明12.5μm的粗糙度適合低壓空化，6.3μm的粗糙度適合高壓空化，當粗糙度為25μm時，氣相體積流率明顯降低，說明粗糙度過大降低了空化效果。

3實驗驗證

3.1實驗裝置

為了研究不同孔板結(jié)構(gòu)和入口壓力對空化器空化效果的影響，以亞甲基藍溶液作為指示劑進行空化實驗，空化過程中產(chǎn)生的·OH與亞甲基藍溶液中的MB反應(yīng)使其脫色，通過吸光度來驗證空化的效果。水力空化裝置如圖11所示。

水力空化流程圖如圖12所示。

溶液吸光度檢測裝置如圖13所示。

3.2孔板通道截面積對空化效應(yīng)的影響

在壓差分別為0.3、0.5、0.7、0.9MPa條件下，分別用孔板1、孔板2、孔板3、孔板4和孔板5對亞甲基藍溶液進行空化實驗，空化時間為60min，每個壓力下分別取3個樣本檢測吸光度取平均值，計算出·OH的濃度，如表3所示。

不同壓差條件下，各孔板得到的·OH濃度變化曲線如圖14所示。

由圖14可知，相對于孔板1，2種增加通道截面積的方式皆提高了·OH濃度，相同通道截面積條件下，孔板2的得到·OH濃度要高于孔板4的，孔板3得到·OH濃度要高于孔板5的，孔板2和孔板4得到的·OH濃度差為0～1.34 μg/L，孔板3和孔板5得到的·OH濃度差為1.33～4.66 μg/L，說明多通道孔板的空化效應(yīng)更強。

3.3孔分布方式對空化效應(yīng)的影響

以孔板3作為參考，在壓差分別為0.3、0.5、0.7、0.9MPa條件下用孔板6和孔板7對MB溶液進行空化實驗，孔板6的孔為一字型分布，孔板7為有中心孔的環(huán)形均勻分布，空化時間為60min，得到的·OH濃度變化曲線如圖15所示。

由圖15可知，隨著壓差增加得到的·OH濃度不斷增加，通過孔板6和孔板7得到的·OH濃度皆比孔板3的低，在壓差為0.9MPa時得到的·OH濃度最大，并且孔板3比孔板6的高1.06μg/L，比孔板7的高0.66μg/L，說明孔間距相同的條件下，孔分布方式的改變降低了空化效果，但是影響較小。

3.4孔分散程度對空化效應(yīng)的影響

孔板3、孔板8、孔板9和孔板10的孔分散程度依次增加，在壓差分別為0.3、0.5、0.7、0.9MPa條件下用各孔板對MB溶液進行空化實驗，空化時間為60min，得到·OH濃度變化曲線如圖16所示。

由圖16可知，隨著壓差增加，·OH濃度不斷增加，孔分散程度越大得到的·OH濃度越小，各孔板空化器得到的·OH濃度由大到小依次為孔板3、孔板8、孔板9、孔板10，并且孔板3得到的·OH濃度明顯比其余孔板高，說明孔分散程度越小空化效果越好，孔分散到一定程度時空化效果相似。

通過以上實驗，所得的孔通道截面積、孔的分布方式以及孔分散程度對空化效應(yīng)影響規(guī)律與仿真的結(jié)果相符，故認為仿真結(jié)果可信。

4結(jié)論

采用數(shù)值模擬和實驗驗證的方法，研究了孔板通道結(jié)構(gòu)參數(shù)對空化效應(yīng)的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）在0.3～0.9MPa范圍內(nèi)孔板通道內(nèi)氣相體積流率隨著壓差增加而增加;

2）相同通道截面積條件下，氣相體積流率大小為孔板2大于孔板4，孔板3大于孔板5，表明多通道比單通道的空化效果好;

3）隨著壓差增加，孔板3和孔板5的氣相體積流率明顯高于其余類型的孔板，說明通道截面積的增加可以有效提高空化效果;

4）孔間距相近時，孔分布方式對空化效果無明顯影響;孔分布方式不變時，孔分散程度越小對流體的空化效果越好。

5）孔板通道表面低粗糙度可以促進空化，高粗糙度抑制空化，壓差在0.2～0.6MPa時最佳值為12.5μm，在0.7～1.0MPa時最佳值為6.3μm。

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（編輯：溫澤宇）