新型文丘里微氣泡發(fā)生器性能分析

＊譚啟航

（大連理工大學(xué)化工學(xué)院 遼寧 116024）

引言

液相工質(zhì)中的微氣泡具有比表面積大、上升速度慢、自身增壓溶解等特點(diǎn)，氣泡在破裂過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量自由基，具有強(qiáng)大的吸附去污效果，在凈水、礦物浮選、去除熔融鹽反應(yīng)器中的有害氣體、去除芯片光刻膠等方面發(fā)揮重要作用。在工業(yè)應(yīng)用中，氣泡破碎的程度越大，產(chǎn)生的氣泡越小或者數(shù)量越多，產(chǎn)生的微氣泡所具有的凈化效果也就越好[1]。比如在水產(chǎn)品養(yǎng)殖過(guò)程中，向水中輸送氧氣，當(dāng)氧氣泡直徑越小時(shí)，氣泡所產(chǎn)生的比表面積越大，越有利于氣體的交換，也就越有利于水產(chǎn)品的生長(zhǎng)。因此在微氣泡發(fā)生器的研究中，減小裝置產(chǎn)生微氣泡的直徑，不斷提高氣泡的破碎性能一直是對(duì)微氣泡發(fā)生器最主要的研究?jī)?nèi)容。

微氣泡發(fā)生器的種類(lèi)多種多樣，按氣泡產(chǎn)生的位置大致可以分為內(nèi)部氣泡發(fā)生器（包括過(guò)濾式氣泡發(fā)生器[2]、電解式氣泡發(fā)生器[3]、文丘里式氣泡發(fā)生器等）和外部氣泡發(fā)生器（包括噴霧式氣泡發(fā)生器[4]、旋流攪拌氣泡發(fā)生器[5]等）。相關(guān)微氣泡發(fā)生器的研究中，文丘里式微氣泡發(fā)生器因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量損失小等特點(diǎn)，一直是研究的熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)文丘里式微氣泡發(fā)生器進(jìn)行了大量研究。劉建朝[6]對(duì)兩種型式的文丘里式氣泡發(fā)生器進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)使用不同湍流模型對(duì)兩種型式氣泡發(fā)生器進(jìn)行三維模擬，發(fā)現(xiàn)三種湍流模型對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響較小。Soubiran等[7]觀(guān)察到了氣泡在文丘里管內(nèi)有明顯的減速現(xiàn)象，但并未對(duì)其形成原因進(jìn)行深入探究。Fujiwara[8]利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)氣泡在文丘里管內(nèi)的具體變化情況進(jìn)行了具體研究，發(fā)現(xiàn)主要破碎位置在擴(kuò)張段。韓月陽(yáng)等[9]通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)氣泡發(fā)生器進(jìn)行了三維建模和網(wǎng)格劃分，對(duì)氣泡發(fā)生器內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)氣泡在氣泡發(fā)生器碎化的原因主要受在擴(kuò)張段壓力的驟升、擴(kuò)張段內(nèi)的局部渦流和湍動(dòng)能的影響。邵梓一[10]指出文丘里管內(nèi)的壓力梯度作用是氣泡破碎的主要原因，為優(yōu)化文丘里微氣泡發(fā)生器性能研究擴(kuò)寬了思路。

強(qiáng)化文丘里管內(nèi)壓力梯度作用，實(shí)現(xiàn)高性能的微氣泡發(fā)生器一直是該領(lǐng)域現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)。項(xiàng)目組通過(guò)借鑒維多辛斯基立方曲線(xiàn)（維氏曲線(xiàn)）型對(duì)壓力梯度的影響，研究了一種新型文丘里微氣泡發(fā)生器——維氏曲線(xiàn)型文丘里微氣泡發(fā)生器[11-12]。本文對(duì)維氏曲線(xiàn)型文丘里微氣泡發(fā)生器的性能進(jìn)行了研究，并與傳統(tǒng)文丘里微氣泡發(fā)生器[13]做對(duì)比，分析了該新型文丘里微氣泡發(fā)生器內(nèi)壓力梯度的變化情況，以及強(qiáng)化壓力梯度后對(duì)微氣泡破碎作用的影響。

本文提出的新型文丘里微氣泡發(fā)生器，能夠有效強(qiáng)化文丘里管破碎氣泡的性能，擴(kuò)寬文丘里微氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究思路，同時(shí)該研究?jī)?nèi)容在促進(jìn)微氣泡發(fā)生器在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用方面起到了積極作用。

1.數(shù)值計(jì)算方法

(1)控制方程

文丘里微氣泡發(fā)生器內(nèi)的控制方程包括連續(xù)性方程和伯努利方程[14-16]。

連續(xù)性方程：

式中，ρPm為混合相密度，kg/m3;

t為時(shí)間，s；

式中，k為代表相；

ρ i為第i相的密度，kg/m3；

α i為第i 相的體積分?jǐn)?shù)；

vi為第i相的速度，m/s。

伯努利方程：

式中，Pm為混合相某點(diǎn)的壓強(qiáng)，MPa；

ρ m為混合相密度，kg/m3；

v m為混合相的平均速度，m/s；

g為重力加速度，m/s2；

h為高度，m；

C為常數(shù)。

(2)數(shù)值模型

因?yàn)榫S氏曲線(xiàn)型文丘里微氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱(chēng)，所以可以采用如圖1所示的二維模型進(jìn)行分析。計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。入口邊界條件采用速度入口，設(shè)置初值為1m/s；出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，壓力大小為1bar。湍流模型采用RNG k-ε湍流模型，多相流模型采用VOF模型，并且考慮相間作用力。壓力和動(dòng)量分別采用PRESTO！格式和二階迎風(fēng)格式離散。

2.計(jì)算結(jié)果與分析

(1)壓力梯度分析

根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]中計(jì)算過(guò)程，設(shè)置入口進(jìn)水速度為1m/s，待流場(chǎng)運(yùn)行基本穩(wěn)定之后，對(duì)比分析兩種管內(nèi)壓力梯度的分布情況，兩種文丘里管的管內(nèi)壓力分布如圖2所示。

由圖2可知，維式曲線(xiàn)文丘里管內(nèi)壓力梯度明顯大于傳統(tǒng)型的文丘里管內(nèi)，從數(shù)值上看壓力梯度提高了50%左右，這說(shuō)明維式曲線(xiàn)能夠有效強(qiáng)化文丘里管內(nèi)的壓力梯度，這會(huì)對(duì)氣泡破碎起到可觀(guān)的積極作用。

(2)單氣泡運(yùn)動(dòng)分析

待單相水的流場(chǎng)穩(wěn)定之后，在（10，0）位置patch一個(gè)粒徑為Φ6mm的氣泡，代表氣泡在進(jìn)水口位置注入，設(shè)置重力方向?yàn)閄軸負(fù)方向。追蹤觀(guān)察氣泡隨時(shí)間的破碎情況，得到的氣泡變化情況，見(jiàn)圖3。

可以看到，在位置a以下，氣泡在入口段平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，只發(fā)生微小變形。氣泡在快速通過(guò)收縮段后，直接進(jìn)入擴(kuò)張段，由于此處壓力梯度變化較為劇烈，如位置b至c所示，氣泡在這一過(guò)程中發(fā)生較大的拉伸變形，形態(tài)逐漸向子彈外形演變，氣泡尾部開(kāi)始快速凹陷，并在不斷向前移動(dòng)的過(guò)程中沖破氣泡頭部，發(fā)生第一次破碎。在氣泡完全進(jìn)入擴(kuò)張段并向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，值得注意的是，氣泡在軸向方向上完成第一次破碎后，在新型文丘里管的中后部的位置，如位置d所示，氣泡又發(fā)生了第二次破碎現(xiàn)象。

因此，通過(guò)維式曲線(xiàn)強(qiáng)化文丘里管內(nèi)的壓力梯度后，可以發(fā)現(xiàn)在相同操作工況下，與標(biāo)準(zhǔn)文丘里管相同的是，文丘里管內(nèi)的氣泡在壓力增大過(guò)程中發(fā)生一次破碎現(xiàn)象；而與標(biāo)準(zhǔn)文丘里管不同的是，維氏曲線(xiàn)型文丘里管會(huì)產(chǎn)生更加明顯的壓力先增大后減小的現(xiàn)象，并且在壓力減小過(guò)程中，發(fā)生二次破碎現(xiàn)象，證明維式曲線(xiàn)能夠強(qiáng)化微氣泡發(fā)生器對(duì)于氣泡的破碎能力。

(3)多氣泡運(yùn)動(dòng)分析

本節(jié)單相水流場(chǎng)計(jì)算穩(wěn)定之后，在單氣泡初始位置的徑向方向上，patch多個(gè)相同大小的氣泡，研究維式曲線(xiàn)文丘里管在不同入口截面含氣率條件下的壓力梯度變化情況，并通過(guò)壓力梯度的變化情況分析了該文丘里管在含氣率升高時(shí)性能的變化情況。不同入口截面含氣率下管內(nèi)壓力梯度分布云圖，如圖4。

由圖4可以看出，當(dāng)入口截面含氣率達(dá)到11.4%時(shí)，文丘里管內(nèi)的壓力梯度的等高線(xiàn)開(kāi)始發(fā)生輕微變形，當(dāng)含氣率超過(guò)17%時(shí)，管內(nèi)的壓力梯度等高線(xiàn)變得十分紊亂。結(jié)合圖5所示的入口截面含氣率為17%時(shí)的氣泡運(yùn)動(dòng)和破碎情況，可以看出，多個(gè)氣泡在通過(guò)喉部之后，并沒(méi)有產(chǎn)生較好的破碎現(xiàn)象，主要發(fā)生聚合現(xiàn)象。而小部分破碎的氣泡附著在內(nèi)壁附近，形成空化現(xiàn)象，影響流體流動(dòng)，造成設(shè)備內(nèi)部侵蝕，進(jìn)而影響設(shè)備的正常工作。因此，想要保持維式曲線(xiàn)文丘里管良好的工作性能，需要將入口截面含氣率控制在11.4%以下。

3.結(jié)論

文丘里管內(nèi)氣泡碎化的主要原因是來(lái)自管內(nèi)的壓力梯度，為強(qiáng)化文丘里管內(nèi)的壓力梯度，本文提出了一種維多辛斯基立方曲線(xiàn)型的文丘里微氣泡發(fā)生器。采用數(shù)值分析方法對(duì)維式曲線(xiàn)文丘里管內(nèi)的氣泡破碎現(xiàn)象進(jìn)行了性能分析，并與傳統(tǒng)的文丘里管進(jìn)行對(duì)比，得到以下結(jié)果和結(jié)論：

（1）相比于傳統(tǒng)型的文丘里管，維式曲線(xiàn)能夠有效地強(qiáng)化文丘里管內(nèi)的壓力梯度，將梯度差值提升50%左右。

（2）維式曲線(xiàn)文丘里微氣泡發(fā)生器的擴(kuò)張段內(nèi)，在壓力上升階段，氣泡發(fā)生一次破碎；在壓力減小階段，氣泡發(fā)生二次破碎，這是維式曲線(xiàn)能夠強(qiáng)化氣泡破碎的重要體現(xiàn)。

（3）當(dāng)入口截面含氣率較高時(shí)，管內(nèi)壓力梯度等高線(xiàn)開(kāi)始變得紊亂，新型文丘里微氣泡發(fā)生器的氣泡破碎效果減弱。因此，為保證維式曲線(xiàn)文丘里微氣泡發(fā)生器維持良好的工作性能，需要將入口截面的含氣率控制在11.4%以?xún)?nèi)。