旋轉(zhuǎn)空化器定-轉(zhuǎn)子間運(yùn)動(dòng)對(duì)內(nèi)孔空化的影響

摘 要：為研究定-轉(zhuǎn)子間運(yùn)動(dòng)對(duì)旋轉(zhuǎn)空化器內(nèi)孔空化的影響，通過(guò)模型簡(jiǎn)化，確定運(yùn)動(dòng)參數(shù)為定-轉(zhuǎn)子間隙δ和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n。通過(guò)建立幾何建模，完成間隙δ及轉(zhuǎn)子內(nèi)孔流體域模型并進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，給出內(nèi)孔瞬態(tài)空化模型。以氣相體積為空化表征標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值模擬不同間隙δ下氣相云圖的瞬態(tài)變化，得到間隙δ對(duì)內(nèi)孔空化的影響規(guī)律：間隙δ越小，氣相體積越大，10mm間隙優(yōu)于15mm和20mm。數(shù)值模擬得到轉(zhuǎn)速n對(duì)氣相體積的影響規(guī)律：轉(zhuǎn)速n增加，氣相體積增加，³⁰⁰⁰r/min優(yōu)于²⁵⁰⁰r/min和²⁰⁰⁰r/min；實(shí)驗(yàn)中根據(jù)變頻調(diào)速得到轉(zhuǎn)速對(duì)純水溶液電導(dǎo)率的影響規(guī)律：轉(zhuǎn)速n增加，純水溶液電導(dǎo)率增加，⁹⁰⁰⁰r/min優(yōu)于³⁰⁰⁰r/min。為內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及實(shí)際應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：內(nèi)孔空化；旋轉(zhuǎn)空化器；定-轉(zhuǎn)子間運(yùn)動(dòng)；定-轉(zhuǎn)子間隙；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

DOI：10.15938/j.jhust.2024.05.013

中圖分類(lèi)號(hào)： O427.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2024）05-0114-07

Influence of Stator-rotor Movement on Inner Hole Cavitation of Rotary Cavitator

LI Dawei1， JING Tao1， HONG Jian2， ZHAO Mengshi1，

PEI Yu1， YAO Shunyu1， YAO Liming1， HAN Guihua3

（1.Institute of Advanced Technology， Heilongjiang Academy of Sciences， Harbin 150020， China;

2.MOONS’ ELECTRIC （TAICANG） CO.， LTD.， Suzhou 215400， China;

3.School of Mechanical and Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：In order to study the influence of the stator-rotor movement on the inner hole cavitation of the rotary cavitator， the parameters were determined as stator-rotor clearance δ and rotor rotational speed n through model simplification. By establishing the geometric modeling， the gap δ and rotor inner hole fluid domain model was completed， and the mesh independence verification was carried out， and the inner hole transient cavitation model was given. The transient changes of gas contour under different gap δ were simulated by using gas volume fraction as the cavitation characterization standard， and the influence of gap δ on inner hole cavitation was obtained： the smaller the gap δ， the larger the gas volume fraction， and the 10mm gap was better than 15mm and 20mm. The influence of rotational speed n on gas volume fraction was obtained by numerical simulation： the larger the speed n， the larger the gas volume fraction， and the ³⁰⁰⁰r/min was better than ²⁵⁰⁰r/min and ²⁰⁰⁰r/min. In the experiment， according to the frequency conversion speed regulation， the influence of speed n on the conductivity of pure aqueous solution was obtained： the speed n increased， the conductivity of the pure aqueous solution increased， and ⁹⁰⁰⁰r/min was better than ³⁰⁰⁰r/min. The reference for the optimization of structural parameters and practical application of inner hole rotary cavitator are provided.

Keywords：inner hole cavitation; rotary cavitators; stator-rotor movement; stator-rotor clearance; rotor speed

0 引 言

水力空化作為一種新型高效處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用^［1-3］，其中旋轉(zhuǎn)空化器由于其具有提高空化強(qiáng)度和空化產(chǎn)量的優(yōu)勢(shì)，得到日益廣泛的關(guān)注^［4-7］。

目前旋轉(zhuǎn)空化器空化機(jī)理方面的研究相對(duì)較少。旋轉(zhuǎn)齒筒式空化器的空化機(jī)理為流體經(jīng)過(guò)靜齒筒時(shí)受到的剪切力和轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力共同作用空化，從而在盲孔中產(chǎn)生空化^［8-10］。旋轉(zhuǎn)齒盤(pán)式空化器空化機(jī)理為一部分流體受到動(dòng)齒盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的慣性離心力作用在齒盤(pán)內(nèi)圈產(chǎn)生空化，另一部分流體進(jìn)入定齒間時(shí)受到剪切力作用產(chǎn)生空化^［11-12］。

因此，對(duì)于內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器來(lái)說(shuō)，既有轉(zhuǎn)子與定子間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（剪切作用）又有旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上盲孔內(nèi)液體所受的離心運(yùn)動(dòng)（離心力作用），研究定-轉(zhuǎn)子間隙對(duì)內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器內(nèi)孔的空化效果，對(duì)探究?jī)?nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器的空化機(jī)理有著重要作用。本文針對(duì)內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器從剪切作用的角度研究與定-轉(zhuǎn)子間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)內(nèi)孔空化的影響，為內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器的機(jī)理研究、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器建模

1.1 幾何建模

內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器幾何模型如圖1所示，轉(zhuǎn)子上有均布的內(nèi)孔（盲孔），定子進(jìn)、出水口直徑為30mm，轉(zhuǎn)子直徑為150mm，定子直徑設(shè)定為160～170mm，旨在研究定-轉(zhuǎn)子間隙對(duì)內(nèi)孔空化的影響。

1.2 數(shù)值模擬模型

1.2.1 網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

使用ICEM對(duì)內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器的流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分時(shí)定義了轉(zhuǎn)子域和定子域，然后對(duì)這兩部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格模型如圖2所示。并在Fluent中合成整體流體域。最后進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量與角度檢查，一般認(rèn)為網(wǎng)格質(zhì)量和網(wǎng)格角度達(dá)到0.7和18 以上的網(wǎng)格符合要求，數(shù)值模擬所用的網(wǎng)格滿(mǎn)足網(wǎng)格質(zhì)量要求。

隨后進(jìn)行網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，三種網(wǎng)格數(shù)目的模型仿真結(jié)果如表1所示。

由表1可知，隨著網(wǎng)格數(shù)目的增多，流量Q和出口速度v，誤差逐漸減?。痪W(wǎng)格2.5萬(wàn)增加到4萬(wàn)，誤差減小1.7％左右?？梢哉J(rèn)為計(jì)算結(jié)果已經(jīng)與網(wǎng)格數(shù)量關(guān)系不大，因此選擇單個(gè)內(nèi)孔網(wǎng)格數(shù)為2.5萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

1.2.2 空化模型

1）空化是一種復(fù)雜的多相湍流運(yùn)動(dòng)，空化過(guò)程中的汽相與液相不斷地進(jìn)行著動(dòng)態(tài)的相互作用，選擇多相流模型為Mixture模型，各相參數(shù)主要流體為水和水蒸氣。

2）采用雷諾數(shù)平均模擬數(shù)值計(jì)算湍流方法，選擇Realizablek-ε模型作為數(shù)值模擬的湍流模型，湍流強(qiáng)度設(shè)為2%。

3）選擇基于壓力求解，入口壓力為1MPa，出口為0.1MPa。

4）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在¹⁰⁰⁰～³⁰⁰⁰r/min之間，旋轉(zhuǎn)周期為0.02～0.06s，故取步長(zhǎng)為0.01s。

5）時(shí)間類(lèi)型為瞬態(tài)。

2 定-轉(zhuǎn)子間隙對(duì)內(nèi)孔空化的影響

將旋轉(zhuǎn)空化器定子與轉(zhuǎn)子間的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為兩旋轉(zhuǎn)圓筒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如圖3（a）所示，轉(zhuǎn)子角速度ω1，（ω1=2πn，n為轉(zhuǎn)速），轉(zhuǎn)子半徑r1，定子半徑r2，定-轉(zhuǎn)子間隙δ為δ=r2-r1。間隙δ對(duì)內(nèi)孔空化的影響即為剪切力對(duì)旋轉(zhuǎn)空化器壓力變化的影響，如圖3（b）為定轉(zhuǎn)子間隙δ為15mm的內(nèi)孔結(jié)構(gòu)示意圖。

在入口壓力1MPa，出口壓力為0.1MPa，轉(zhuǎn)速²⁰⁰⁰r/min情況下，保持孔徑2.5mm，孔深20mm，單排孔數(shù)為20，孔排數(shù)為1時(shí)，改變與定-轉(zhuǎn)子間隙δ，研究定-轉(zhuǎn)子間隙δ對(duì)內(nèi)孔空化的影響。

在數(shù)值模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)定-轉(zhuǎn)子間隙δ大于20mm時(shí)幾乎不產(chǎn)生空化，當(dāng)定-轉(zhuǎn)子間隙δ小于10mm時(shí)空化效果變化不明顯，因此選擇定-轉(zhuǎn)子間隙δ分別為10mm、15mm、20mm，模擬得到的氣含率云圖如圖4～6所示。 氣相體積與定-轉(zhuǎn)子間隙δ的關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知，隨著時(shí)間的增加，氣相體積呈先增大后平穩(wěn)的趨勢(shì)。通過(guò)定-轉(zhuǎn)子間隙為10mm得到的氣相體積明顯高于δ=15mm和δ=20mm的氣相體積。說(shuō)明隨著定-轉(zhuǎn)子間隙的減小，內(nèi)孔式旋轉(zhuǎn)空化器的空化效果越來(lái)越好。這是因?yàn)槎?轉(zhuǎn)子間隙越小，轉(zhuǎn)子與定子間的剪切力越強(qiáng)，導(dǎo)致更大的壓降，這一點(diǎn)通過(guò)壓力云圖證明，如圖8～10 所示。

由圖8～10可知，空化都發(fā)生于轉(zhuǎn)子上內(nèi)孔中，隨著時(shí)間的增大逐漸趨于穩(wěn)定，隨著定-轉(zhuǎn)子間隙δ的增大，孔中的負(fù)壓區(qū)域減小，空化發(fā)生區(qū)域減小，空化效果隨著定-轉(zhuǎn)子間隙δ的增大而減小。

3 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)內(nèi)孔空化的影響

圖3中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n對(duì)內(nèi)孔空化的影響即為剪切速率對(duì)旋轉(zhuǎn)空化器壓力變化的影響。

在初始參數(shù)不變的情況下（入口壓力1MPa，出口壓力為0.1MPa，孔徑12.5mm，孔深20mm，轉(zhuǎn)子與定子間隙20mm，單排孔數(shù)為20，孔排數(shù)為1，改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n。

在數(shù)值模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速n小于²⁰⁰⁰r/min時(shí)空化區(qū)域幾乎不產(chǎn)生空化，而當(dāng)轉(zhuǎn)速n超過(guò)³⁰⁰⁰r/min時(shí)空化區(qū)域面積增加不明顯，因此選用²⁰⁰⁰r/min，³⁰⁰⁰r/min來(lái)進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖11～12所示。

由圖11～12可知，空化都發(fā)生于轉(zhuǎn)子內(nèi)孔中，隨著時(shí)間的增大逐漸趨于穩(wěn)定，內(nèi)孔中的空化發(fā)生區(qū)域面積隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大。

通過(guò)Fluent軟件計(jì)算出轉(zhuǎn)速n與氣體體積的關(guān)系如表2所示。

表2中轉(zhuǎn)速³⁰⁰⁰r/min對(duì)應(yīng)的氣相體積遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)速²⁰⁰⁰r/min，說(shuō)明在限定范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力、離心力就越大，使得達(dá)到飽和蒸汽壓的區(qū)域增大，空化效果越好。

4 實(shí) 驗(yàn)

目前空化實(shí)驗(yàn)采用測(cè)定溶液濃度、空化產(chǎn)熱、殺菌及測(cè)定電導(dǎo)率的方法來(lái)表征空化效果，例如，Wang X等^［13］研究了射流空化與H2O2聯(lián)合降解水溶液中的羅丹明B ；韓桂華等 ^［14］研究孔板空化器對(duì)亞甲基藍(lán)溶液濃度的影響；Badve M P等^［15］通過(guò)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定了碘的吸光度 ； Kwon W C等^［16］研究了旋轉(zhuǎn)空化器的進(jìn)口流動(dòng)條件與產(chǎn)熱率的關(guān)系 ；Sun X等^［17］使用旋轉(zhuǎn)空化器處理大腸桿菌；王成會(huì)和李小娜等^［18-19］研究超聲空化對(duì)溶液電導(dǎo)率的影響 。借鑒上述方法，本實(shí)驗(yàn)室采用檢測(cè)空化過(guò)程中水溶液的電導(dǎo)率的方式，取得了好的效果，陳德裕做了文丘里管空化與純水溶液電導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)，趙志偉分析了純水溶液電導(dǎo)率與孔板空化的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 ^［20-21］，本次旋轉(zhuǎn)空化器空化實(shí)驗(yàn)采用測(cè)定溶液電導(dǎo)率的方式。

前述模擬中結(jié)構(gòu)參數(shù)變化（定-轉(zhuǎn)子間隙）在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)確定情況下無(wú)法實(shí)驗(yàn)，基于同樣模擬方法，可以實(shí)現(xiàn)以轉(zhuǎn)速為變量進(jìn)行純水溶液的空化實(shí)驗(yàn)，通過(guò)純水溶液電導(dǎo)率隨著轉(zhuǎn)速的變化得到空化效果與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，以驗(yàn)證數(shù)值模擬中轉(zhuǎn)速與氣相體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)原理及裝置如圖13所示，實(shí)驗(yàn)采用變頻調(diào)速原理控制電機(jī)及空化器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)采集水樣，冷卻到室溫后（消除溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響）檢測(cè)水樣的電導(dǎo)率。

實(shí)驗(yàn)中根據(jù)調(diào)頻器選擇轉(zhuǎn)速^{3000r、6000r、9000r，}每個(gè)水溶液電導(dǎo)率測(cè)量5次然后取平均值，得到各個(gè)時(shí)間下轉(zhuǎn)速與電導(dǎo)率及空化效果的關(guān)系如表3所示。

由表3可得：

1）隨著轉(zhuǎn)速增加，水樣的電導(dǎo)率增加，空化效果增強(qiáng)，與數(shù)值模擬得到的趨勢(shì)一致。但是實(shí)驗(yàn)中的轉(zhuǎn)速與數(shù)值模擬的轉(zhuǎn)速，有一定的差別，說(shuō)明：數(shù)值模擬作為定性分析的基礎(chǔ)，做定量分析有一定的局限性。

2）轉(zhuǎn)速3（1min時(shí)）的電導(dǎo)率與轉(zhuǎn)速2（3min）電導(dǎo)率相當(dāng)，轉(zhuǎn)速3（2min時(shí)）的電導(dǎo)率與轉(zhuǎn)速2^（5min）電導(dǎo)率相當(dāng)。因此，如果以電導(dǎo)率值為空化效果衡量標(biāo)準(zhǔn)，那么可以采取高轉(zhuǎn)速快速達(dá)成，也可以采用低轉(zhuǎn)速多次循環(huán)達(dá)到同樣的標(biāo)準(zhǔn)。

3）可以看出轉(zhuǎn)速3電導(dǎo)率上升值大于轉(zhuǎn)速2和轉(zhuǎn)速1，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速越快，空化越劇烈，電導(dǎo)率上升的越快。

5 結(jié) 論

1）本文將旋轉(zhuǎn)空化器定子與轉(zhuǎn)子間的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為兩旋轉(zhuǎn)圓筒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，定-轉(zhuǎn)子間的剪切作用通過(guò)定-轉(zhuǎn)子間隙δ和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n來(lái)體現(xiàn)，二者對(duì)內(nèi)孔空化的影響即為剪切力、剪切速率對(duì)旋轉(zhuǎn)空化器壓力變化的影響。

2）定-轉(zhuǎn)子間隙δ=10mm得到的氣相體積分?jǐn)?shù)明顯高于δ=15mm和δ=20mm。說(shuō)明隨著定-轉(zhuǎn)子間隙的減小，轉(zhuǎn)子與定子間的剪切力越強(qiáng)，內(nèi)孔空化的空化效果越好。

3）隨著轉(zhuǎn)速n增加，氣相體積分?jǐn)?shù)增加，水溶液的電導(dǎo)率增加，空化效果增強(qiáng)，數(shù)值模擬與空化實(shí)驗(yàn)得到的趨勢(shì)一致。

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（編輯：溫澤宇）

基金項(xiàng)目： 黑龍江省自然科學(xué)基金（E2016040）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51375123）；

黑龍江省科學(xué)院重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（ZDCG2024 GJS01）.

作者簡(jiǎn)介：李大尉（1982—），男，碩士，副研究員；

經(jīng) 韜（1977—），男，副研究員.

通信作者：韓桂華（1972—），女，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，E-mail：hanguihua99@hrbust.edu.cn.