文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)氣泡發(fā)生器氣液混合和發(fā)泡特性試驗(yàn)

郭云霞，蔡小壘*，李爽，邢宇涵

1.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

2.深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）的相關(guān)定義，微細(xì)氣泡（fine bubble）[1-2]主要是指粒徑小于100 μm的氣泡，因該類氣泡具有比表面積大、界面點(diǎn)位高、浮升速度緩慢、裹挾顆粒作用強(qiáng)、能產(chǎn)生大量自由基、溶解及傳質(zhì)效率高等特性，廣泛應(yīng)用于水質(zhì)凈化、生態(tài)修復(fù)、化工反應(yīng)等領(lǐng)域[3-6]。不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)馀萘椒植技皾舛刃枨蟛町愝^大，如采用氣浮法[7-9]處理含油污水過(guò)程中氣泡粒徑宜控制在30～120 μm，可使氣泡群具有足夠的比表面積和碰撞幾率，從而與油滴或固體懸浮物（suspend solid，SS）黏附形成黏附體，同時(shí)還可保證氣泡或黏附體能夠依靠自身浮力完成浮選分離過(guò)程；而污水曝氣[10]充氧時(shí)所產(chǎn)生的氣泡粒徑越小[11-13]，氣液接觸面積越大[14]，越有利于氧氣向水中溶解轉(zhuǎn)移的過(guò)程。

微細(xì)氣泡技術(shù)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)是高效緊湊型微細(xì)氣泡發(fā)生技術(shù)和粒徑調(diào)控技術(shù)，根據(jù)發(fā)泡方式或機(jī)理不同，可將現(xiàn)有氣泡發(fā)生技術(shù)分為溶氣釋放式[15]、微孔散氣式、引氣射流式、氣液混合泵送剪切式等。溶氣釋放式氣泡發(fā)生技術(shù)主要是利用飽和溶氣水減壓釋放產(chǎn)生大量微細(xì)氣泡[16]，經(jīng)測(cè)量其產(chǎn)生的氣泡平均粒徑主要控制在30～60 μm，該方法雖產(chǎn)生氣泡質(zhì)量較高，但存在能耗高和占地面積大等缺點(diǎn)；微孔散氣式氣泡發(fā)生技術(shù)具有能耗低和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但氣泡產(chǎn)生質(zhì)量差，毫米級(jí)別氣泡占比過(guò)高；氣液混合泵送剪切式氣泡發(fā)生技術(shù)發(fā)泡質(zhì)量極高，但存在能耗高、對(duì)水體中污染物剪切嚴(yán)重等缺點(diǎn)，且受單體泵處理量限制，難以滿足大處理量工業(yè)應(yīng)用要求；以文丘里為代表的引氣射流式氣泡發(fā)生技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、不易堵塞、易于實(shí)現(xiàn)管流化等優(yōu)勢(shì)，在工程應(yīng)用上得到較為廣泛的關(guān)注，但由于其發(fā)泡質(zhì)量較差，尤其是毫米級(jí)氣泡占比過(guò)高，阻礙了其進(jìn)一步工程應(yīng)用。為解決傳統(tǒng)文丘里氣泡發(fā)生器中氣泡偏大且粒徑分布不均等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外針對(duì)文丘里式氣泡發(fā)生技術(shù)開(kāi)展了大量的研究。如李強(qiáng)等[17-23]對(duì)文丘里氣泡發(fā)生器內(nèi)氣泡破碎過(guò)程和作用機(jī)制開(kāi)展了研究，王德忠等[24-26]系統(tǒng)分析了文丘里結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況條件對(duì)發(fā)泡性能影響。這些研究極大提升了文丘里式氣泡發(fā)生技術(shù)的發(fā)泡性能，并進(jìn)一步推動(dòng)了其工程應(yīng)用。

隨著氣泡微細(xì)化技術(shù)不斷發(fā)展及其應(yīng)用范圍的不斷拓寬，對(duì)微細(xì)氣泡發(fā)生設(shè)備提出了更高要求，尤其是更加關(guān)注微細(xì)氣泡產(chǎn)生質(zhì)量和調(diào)控方法，同時(shí)也更加關(guān)注發(fā)泡設(shè)備的緊湊性、能耗、操作維護(hù)等運(yùn)行指標(biāo)，因此迫切需要發(fā)展微細(xì)氣泡高效產(chǎn)生及質(zhì)量調(diào)控新理念或新技術(shù)。Sayyaadi等[27-28]提出了一種串聯(lián)文丘里管式的新型水動(dòng)力空化反應(yīng)器，研究結(jié)果表明采用串聯(lián)文丘里結(jié)構(gòu)可以達(dá)到更好的空化效果。Vasilev等[29-31]針對(duì)多個(gè)文丘里結(jié)構(gòu)串聯(lián)對(duì)液滴分散性能強(qiáng)度的影響進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明采用文丘里多級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)有助于提升分散相的破碎程度和分散均勻性。上述研究為文丘里式氣泡發(fā)生技術(shù)的發(fā)展尤其是發(fā)泡質(zhì)量調(diào)控提供了新的研究思路。

基于文丘里式氣泡發(fā)生技術(shù)理念，開(kāi)展了單級(jí)文丘里結(jié)構(gòu)和兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)[32-33]氣液混合過(guò)程[34-35]及發(fā)泡特性試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了不同文丘里結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)對(duì)氣泡碎化過(guò)程及發(fā)泡質(zhì)量影響規(guī)律，以期在保證緊湊性的同時(shí)提高氣液分散混合程度和微細(xì)氣泡數(shù)量占比，提升氣泡粒徑分布均勻性，探究獲得微細(xì)氣泡質(zhì)量調(diào)控的方式或方法，從而為高效緊湊性發(fā)泡技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)流程及方法

1.1 氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)及工作原理

文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括入口管段、注氣管段、收縮管段、喉管段和擴(kuò)散管段等。工作過(guò)程中，連續(xù)水相和連續(xù)氣相分別經(jīng)入水管段和注氣管段進(jìn)入到入口管段進(jìn)行初步的氣液分散混合，混合分散后的氣液兩相在一級(jí)文丘里管結(jié)構(gòu)的收縮管段、喉管段和擴(kuò)散管段等處經(jīng)強(qiáng)湍流水力剪切破碎生成氣泡群。而后，氣液兩相流經(jīng)二級(jí)文丘里管結(jié)構(gòu)使分散氣泡進(jìn)一步碎化生成更高質(zhì)量（即微細(xì)氣泡數(shù)量占比更高）的氣泡群[36]。

圖1 兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)氣泡發(fā)生器工作原理示意Fig.1 Schematic of working principle of two-stage Venturi series bubble generator

兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)氣泡發(fā)生器中收縮管段、喉管段和擴(kuò)散管段[37]等結(jié)構(gòu)是氣泡發(fā)生器能否高效實(shí)現(xiàn)氣泡微細(xì)化的關(guān)鍵，參照現(xiàn)有單級(jí)文丘里結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，基于額定水流量（Ql）為2.0 m3/h和氣液比≤0.4，對(duì)兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)氣泡發(fā)生器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1，后續(xù)基于該結(jié)構(gòu)利用響應(yīng)曲面法[38]等優(yōu)化方法對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表1 兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)氣泡發(fā)生器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸Table 1 Dimensions of key structural parameters of two-stage Venturi series bubble generator

1.2 試驗(yàn)流程

本試驗(yàn)中氣泡發(fā)生器氣液混合試驗(yàn)測(cè)試流程主要由泵送系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、文丘里氣泡發(fā)生器、氣液混合觀察窗和氣泡測(cè)量系統(tǒng)等部分組成（圖2），各部分之間使用管道連接從而組成完整的試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)過(guò)程中，利用泵送系統(tǒng)中的變頻增壓泵（額定流量為4 m3/h，揚(yáng)程為30 m）將進(jìn)水流量和管線水壓調(diào)節(jié)至設(shè)定值，同時(shí)利用高壓氣瓶出口調(diào)壓閥和氣體流量計(jì)將進(jìn)氣壓力和流量調(diào)節(jié)至設(shè)定值[39-40]。氣液兩相流經(jīng)初步混合后進(jìn)入到兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)內(nèi)，利用強(qiáng)湍流剪切作用將連續(xù)氣相分散形成氣泡群，此時(shí)利用氣泡測(cè)量系統(tǒng)對(duì)設(shè)置在兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)末端的氣液混合觀察窗內(nèi)的氣泡群進(jìn)行連續(xù)拍攝分析，獲得不同工況條件下氣泡群分布圖像。

圖2 氣泡發(fā)生器氣液混合試驗(yàn)測(cè)試流程Fig.2 Test flow of gas-liquid mixture experiment of bubble generator

氣泡測(cè)量系統(tǒng)借助美國(guó)IDT公司Motion Pro Y3-S2高速相機(jī)（分辨率為 1 280×1 024@2 000 fps；快拍攝快門為1 μs，感光度為彩色ASA 1 000/黑白ASA 3 000）來(lái)進(jìn)行。采用Image J軟件對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行降噪、銳化、閾值調(diào)整和二值化處理等（圖3），然后提取氣泡等效粒徑等數(shù)據(jù)，采用索爾特平均粒徑(Sauter mean diameter，SMD)對(duì)氣泡群平均粒徑進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖3 高速相機(jī)拍攝尺度及圖像處理示例Fig.3 Example of shooting scale and image processing by high speed camera

1.3 CFD數(shù)值模擬

1.3.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

在對(duì)兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)氣泡發(fā)生器進(jìn)行CFD數(shù)值模擬[41-43]之前，首先采用預(yù)處理軟件Gambit 6.3對(duì)氣泡發(fā)生器整個(gè)流域進(jìn)行建模，具體模型尺寸與設(shè)計(jì)尺寸嚴(yán)格一致，網(wǎng)格劃分完成的幾何模型如圖4所示。幾何建模過(guò)程中，為保證對(duì)氣液兩相界面捕捉的精確度以及計(jì)算收斂速度，整體幾何模型采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，根據(jù)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果將網(wǎng)格間距控制在100～200 μm。此條件下對(duì)于直徑小于100 μm的氣泡界面捕捉效果極差，導(dǎo)致模擬結(jié)果中氣泡群平均粒徑較實(shí)際結(jié)果明顯偏大，但仍可通過(guò)獲取氣泡群平均粒徑和小氣泡數(shù)量占比來(lái)定性分析發(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)對(duì)氣液混合過(guò)程及成泡特性影響。

圖4 文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)氣泡發(fā)生器流域幾何建模及網(wǎng)格劃分示意Fig.4 Schematic of watershed geometric modelling and grid division of Venturi series bubble generator

1.3.2 多相流模型選擇

采用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，該軟件提供的多相流模型主要有VOF (Volume of Fluid)模型、混合物（Mixture）模型和歐拉（Eulerian）模型等，其中VOF模型主要是利用動(dòng)量方程等計(jì)算得出流體區(qū)域內(nèi)多相流體體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)而來(lái)預(yù)測(cè)分析具有明顯相界面的多相流動(dòng)過(guò)程。本次模擬過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注氣液混合過(guò)程中連續(xù)氣相剪切破碎形成氣泡過(guò)程，因此選用VOF模型，控制方程如下：

式中：t為時(shí)間；α為體積分?jǐn)?shù)；為黏度；ρ為流體密度；p為壓力；v為流體速度；g為重力加速度；F為相間相互作用力；k為第k相流體。

模擬過(guò)程中采用的湍流模型[44]為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

式中：Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取0.09；ε為流場(chǎng)能量耗散率；i為氣相；j為液相；Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍動(dòng)能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能；YM為在可壓縮流動(dòng)中湍流脈動(dòng)膨脹到全局流程中對(duì)動(dòng)能的貢獻(xiàn)；C1ε、C2ε、C3ε為常量，分別取 1.44、1.92和 0.09；σk、σε為湍流數(shù)，分別為1.0和1.3；Sk、Sε分別為自定義湍動(dòng)能和湍流耗散源。

2 結(jié)果與分析

2.1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

在進(jìn)行兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，兩級(jí)文丘里結(jié)構(gòu)參數(shù)初步設(shè)計(jì)均為一致，而并未考慮兩級(jí)文丘里結(jié)構(gòu)間的交互影響，因此利用響應(yīng)曲面法(response surface methodology，RSM)對(duì)兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)中喉管管徑、擴(kuò)張角等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化過(guò)程中利用Designexpert方案設(shè)計(jì)軟件中的二階Box-Behnken (BBD)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)組合篩選，相應(yīng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬因子和水平如表2所示。以成泡平均粒徑和壓降為響應(yīng)目標(biāo)共選取39組結(jié)構(gòu)參數(shù)組合方案，并利用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行CFD數(shù)值模擬。

表2 響應(yīng)曲面法模擬因子和水平Table 2 Simulation factors and levels of response surface methodology

基于CFD數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)響應(yīng)曲面法中回歸擬合模型外學(xué)生化殘差、外學(xué)生化殘差與預(yù)測(cè)值、預(yù)測(cè)值與實(shí)際值等結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析（圖5）。如圖5所示，決定系數(shù)（R2）為0.923，殘差呈現(xiàn)圍繞零線隨機(jī)分布特征，且殘差值分布在-3.55～3.55，表明實(shí)際值與預(yù)測(cè)值間的擬合程度較高，該優(yōu)化模型具備很高的相關(guān)性、擬合度和可靠性，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氣泡發(fā)生器發(fā)泡性能。

圖5 響應(yīng)曲面法中回歸擬合模型預(yù)測(cè)精度Fig.5 Prediction accuracy of regression fitting model in response surface method

基于響應(yīng)曲面法預(yù)測(cè)模型，以最小成泡平均粒徑和最低壓降為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)氣泡發(fā)生器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果顯示，一級(jí)喉管管徑為13 mm，一級(jí)擴(kuò)張角為7°，二級(jí)喉管管徑為5 mm，二級(jí)擴(kuò)張角為7°，此時(shí)成泡平均粒徑為1.286 mm，較優(yōu)化前減小了23%，壓降為34.696 883 kPa。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)交互影響

基于2.1節(jié)分析結(jié)果，利用響應(yīng)曲面法對(duì)回歸方程進(jìn)行響應(yīng)面分析，就文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)交互作用對(duì)發(fā)泡平均粒徑的影響規(guī)律進(jìn)行了分析，獲得各因素間響應(yīng)面的三維立體圖，如圖6所示。

圖6 響應(yīng)曲面法中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)交互影響成泡效果趨勢(shì)Fig.6 Bubble forming trend of interaction of key structural parameters in response surface method

由圖6可知，對(duì)成泡粒徑影響最大的參數(shù)是二級(jí)喉管管徑，其次為一級(jí)喉管管徑和二級(jí)擴(kuò)張角，一級(jí)擴(kuò)張角影響最小。且在一級(jí)喉管管徑和二級(jí)喉管管徑從13 mm降至5 mm過(guò)程中，成泡粒徑可從2.32 mm降至0.97 mm。在兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，氣泡破碎的主要形式為湍流脈動(dòng)引起的自身形變破碎。在湍流中，大氣泡由于湍動(dòng)漩渦引起自身變形，同時(shí)氣液兩相密度導(dǎo)致的速度差使得氣泡在流場(chǎng)內(nèi)有一定的自轉(zhuǎn)運(yùn)行，大氣泡逐漸被拉伸，當(dāng)湍動(dòng)渦以及自轉(zhuǎn)等造成的破壞力足以克服氣相表面張力以及自身黏滯力時(shí)，大氣泡就會(huì)破碎分散形成多個(gè)子氣泡。此時(shí)，氣泡破碎過(guò)程可以通過(guò)下式進(jìn)行判斷：

式中：τ為液相的黏性應(yīng)力或湍動(dòng)壓力；σ/db為氣泡反抗變形的張力；τw為湍流脈動(dòng)壓力，是脈動(dòng)速度的函數(shù)；μg為氣體黏度。

文丘里兩級(jí)串聯(lián)氣泡發(fā)生器內(nèi)喉管管徑的減小可以大幅度提高流體在喉管處的速度梯度，強(qiáng)化主體水流對(duì)分散氣泡的拉伸和氣泡自身的旋轉(zhuǎn)脈動(dòng)效應(yīng)，促進(jìn)大氣泡表面振動(dòng)變形破碎分散形成多個(gè)子氣泡（圖7），進(jìn)而有效降低成泡粒徑，且二級(jí)喉管對(duì)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)氣泡發(fā)生器的氣泡細(xì)化過(guò)程影響更大。當(dāng)一級(jí)擴(kuò)張角和二級(jí)擴(kuò)張角從7°逐漸增至15°，會(huì)有效增大每級(jí)文丘里管流場(chǎng)擴(kuò)張區(qū)域速度梯度和湍流脈動(dòng)效應(yīng)，強(qiáng)化氣泡破碎過(guò)程，此時(shí)成泡粒徑從2.06 mm降至1.54 mm。

圖7 氣液兩相射流過(guò)程中氣泡破碎與子氣泡形成過(guò)程Fig.7 Bubble breakage and sub-bubble formation in gas-liquid two-phase jet process

綜上，擴(kuò)張角的增加有利于提高流場(chǎng)內(nèi)壓力梯度和速度梯度，提高湍流耗散率，從而強(qiáng)化氣液混合剪切分散形成氣泡過(guò)程。在分析結(jié)構(gòu)參數(shù)交互作用對(duì)成泡效果影響的同時(shí)也分析了對(duì)壓降的影響，但由于文丘里結(jié)構(gòu)氣泡發(fā)生器本身壓降較小，可以忽略在工程應(yīng)用方面結(jié)構(gòu)參數(shù)交互作用對(duì)水流壓降的影響。

2.3 發(fā)泡效果試驗(yàn)對(duì)比

CFD數(shù)值模擬過(guò)程中，對(duì)微細(xì)氣泡捕捉效果較差，為了更直觀對(duì)比單級(jí)和兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)發(fā)泡效果，在水流流量為1.0 m3/h、氣液比為0.12、水流壓力為0.10 MPa工況條件下，利用高速相機(jī)拍照對(duì)比分析單級(jí)和兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)果發(fā)泡特性，結(jié)果如圖8所示。

圖8 單級(jí)和兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)氣泡發(fā)生器成泡效果Fig.8 Bubble forming effect of single-stage and two-stage Venturi series bubble generator

單級(jí)文丘里管氣泡發(fā)生器所生成的氣泡群中位粒徑為543.64 μm，且粒徑小于100 μm的微細(xì)氣泡數(shù)量占比為8.6%，粒徑普遍偏大且多為不規(guī)則形的氣泡；兩級(jí)文丘里管串聯(lián)氣泡發(fā)生器所生成的氣泡中位粒徑為515.99 μm，且粒徑小于100 μm的微細(xì)氣泡數(shù)量占比提升至12.1%，成泡質(zhì)量明顯提高。此時(shí)，兩級(jí)文丘里管串聯(lián)氣泡發(fā)生器的壓降為32.2 kPa，而單級(jí)文丘里管氣泡發(fā)生器的壓降為14.8 kPa。根據(jù)Hinze等[45]關(guān)于氣泡破碎相關(guān)理論可知，判斷氣泡能否發(fā)生破碎主要是依據(jù)外部變形力與反抗氣泡變形的表面張力大小，定義外部變形力與反抗氣泡變形的表面張力之比為氣泡破碎的臨界韋伯?dāng)?shù)（Wec），Wec越大，則表示氣泡容易發(fā)生變形并破碎，具體表達(dá)式如下：

采用兩級(jí)文丘里管串聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)，二級(jí)喉管管徑較一級(jí)明顯收縮，極大地強(qiáng)化了二級(jí)文丘里流道內(nèi)湍動(dòng)程度，強(qiáng)化流場(chǎng)對(duì)分散氣泡尤其是大氣泡的破碎過(guò)程，從而進(jìn)一步提高微細(xì)氣泡數(shù)量占比和發(fā)泡質(zhì)量。

2.4 水流流量對(duì)發(fā)泡特性的影響

針對(duì)單級(jí)和兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)氣泡發(fā)生器，在氣液比為0.07和水流壓力為0.10 MPa（2.0 m3/h工況下水壓升至0.15 MPa）等基礎(chǔ)工況條件下，討論分析了水流流量對(duì)氣泡發(fā)生器成泡效果的影響，結(jié)果如圖9所示。

圖9 水流流量對(duì)氣泡發(fā)生器成泡效果的影響Fig.9 Influence of flow rate on bubble forming effect of bubble generator

由圖9可知，水流流量從0.5 m3/h逐漸增至2.0 m3/h過(guò)程中，單級(jí)文丘里氣泡發(fā)生器成泡粒徑中位數(shù)從1 432.19 μm減至468.34 μm，兩級(jí)串聯(lián)文丘里氣泡發(fā)生器成泡粒徑中位數(shù)從786.32 μm減至225.91 μm。根據(jù) Martinez-Bazan等[46]關(guān)于湍流作用于發(fā)泡粒徑理論可知，在湍流作用下發(fā)泡粒徑（d）主要與流場(chǎng)能量耗散率有關(guān)，公式如下：

隨著水流量的增大，流場(chǎng)核心區(qū)內(nèi)湍動(dòng)能和湍能耗散率會(huì)明顯增加，此時(shí)高速度梯度下分散氣泡所受到的剪切力也會(huì)顯著增大，使得氣泡平均粒徑呈下降趨勢(shì)。當(dāng)流量達(dá)到2.0 m3/h時(shí)，來(lái)水壓力明顯升高，溶氣釋然過(guò)程明顯增強(qiáng)，導(dǎo)致成泡粒徑中位數(shù)明顯減小，且微細(xì)氣泡數(shù)量占比明顯增大。同時(shí)，兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)氣泡發(fā)生器發(fā)泡效果明顯優(yōu)于單級(jí)文丘里氣泡發(fā)生器，可以得出一級(jí)文丘里結(jié)構(gòu)主要對(duì)氣液兩相流進(jìn)行初步混合，二級(jí)文丘里結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分散氣泡進(jìn)行強(qiáng)化破碎作用，有效提高微細(xì)氣泡數(shù)量占比。且工程上還可利用兩級(jí)或多級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制水流流量，實(shí)現(xiàn)氣泡平均粒徑從毫米級(jí)別到微米級(jí)別的調(diào)控。

3 結(jié)論

（1）以最小成泡粒徑和最低壓降為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)響應(yīng)曲面法對(duì)兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最佳優(yōu)化參數(shù)一級(jí)喉管管徑為13 mm，一級(jí)擴(kuò)張角為7°，二級(jí)喉管管徑為5 mm，二級(jí)擴(kuò)張角為7°，此時(shí)成泡平均粒徑為1.286 mm，壓降為34 696.883 Pa。

（2）利用響應(yīng)曲面法研究文丘里串聯(lián)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的交互作用對(duì)發(fā)泡粒徑的影響規(guī)律，結(jié)果表明，對(duì)成泡粒徑影響最大的參數(shù)是二級(jí)喉管管徑，其次為一級(jí)喉管管徑和二級(jí)擴(kuò)張角，一級(jí)擴(kuò)張角的影響最小。

（3）利用高速相機(jī)拍照對(duì)比分析了單級(jí)和兩級(jí)文丘里串聯(lián)結(jié)果發(fā)泡特性，結(jié)果顯示，單級(jí)文丘里管氣泡發(fā)生器所生成的氣泡群中位粒徑為543.64 μm，且粒徑小于100 μm的氣泡數(shù)量占比為8.6%；兩級(jí)文丘里管串聯(lián)氣泡發(fā)生器所生成的氣泡中位粒徑為515.99 μm，且粒徑小于100 μm的氣泡數(shù)量占比提升至12.1%。可以通過(guò)控制水流流量和改變文丘里串聯(lián)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)氣泡粒徑從毫米級(jí)別到微米級(jí)別的調(diào)控。