微射流的形成及動力學特性數(shù)值模擬研究

中圖分類號：TQ021.1 文獻標志碼：A 文章編號：1004-0935（2025）06-0943-05

隨著工業(yè)化進程的加快，工業(yè)污染帶來的環(huán)境問題日益突出，其中以工業(yè)廢水污染最為嚴重[-2]。如果不經(jīng)過處理就直接排放，會對生態(tài)環(huán)境和人體健康帶來非常嚴重的后果3-5]。使用炭床吸附、生物法、電化學技術等大多都存在條件苛刻、降解率低或成本高等缺點[6-8]。深度降解污水的處理已成為工業(yè)上亟待解決的技術難點。

在水利條件下，空泡運動潰滅時產(chǎn)生的微射流，近幾年都是研究的熱點，其蘊含能量大，而且能夠提高活性氧傳質(zhì)效率9-，強化有機污染物微納氣泡的界面反應，達到高效率降解污水的目的。在微射流的沖擊中，其速度極大，壓力極高，而且溫度也達到峰值[12-14]。米建東[15]研究發(fā)現(xiàn)，在金屬液/固界面單個空泡潰滅時產(chǎn)生的力的均值為 5～10mN ，這間接反映了微射流具有一定的沖擊力。BRUJAN和MATSUMOTO通過高速攝像機觀測到最大半徑150 的空泡潰滅產(chǎn)生的微射流速度為 80～130m?s^-1 。空泡潰滅產(chǎn)生的微射流不管是其條件還是速度都是極具能量的，一直是研究熱點。本研究的重點是分析微射流的產(chǎn)生機理，研究其速度場、壓力場、溫度場的變化特性，以期為微射流的進一步研究奠定了理論基礎。

微射流產(chǎn)生機理

1.1 微射流形成機理圖

流體在流場中某點壓力降低至飽和蒸汽壓以下，伴隨大量氣泡產(chǎn)生、長大，空泡隨主流流動進入壓力梯度區(qū)，壓力不斷增大，受壓面被壓扁而變平，隨著壓力的繼續(xù)變化，受壓面繼續(xù)凹陷直至潰滅。在潰滅歷程早期，空泡高壓一側就產(chǎn)生指向低壓側的微射流，最終微射流突破空泡邊側（圖1）[7-19]

1.2 能量表示

圖2為空泡模型。

空泡潰滅過程極其復雜且充滿了隨機性[20-21]，假設空泡內(nèi)含有少量氣體，當空泡內(nèi)氣體分壓減小，空泡半徑逐漸減小并發(fā)生潰滅，根據(jù)空泡平衡方程和伯努利方程，得出式（1）＼～式（6）。

得到：

2 空泡潰滅過程及微射流能量分析

再根據(jù)連續(xù)方程、能量方程和動量方程

此次研究根據(jù)空泡的性能設計出表1所示的3種工況，這3種工況分別探究空泡與固壁之間的距離、空泡大小以及環(huán)境圍壓的改變對空泡潰滅產(chǎn)生的影響。其中， γ=L/R₀ 為無量綱的空泡中心與固壁之間的距離[22]。

式中： E₁ ， E₂ —氣體能量和液體能量。

式中： V_m （2 速度矢量；ρ 1 混合密度；E 總能量；k 流體的傳熱系數(shù)；s 液體表面張力。

聯(lián)立上面方程可得壓強、溫度、速度以及能量，如式（7）＼～式（11）所示

式中： α₁ ， α₂ 氣體體積分數(shù)和流體的體積分數(shù)；（2號 ρ₁ 氣體密度；ρ₂ 液體密度。 （11）

本研究采用VOF模擬方法，對空泡潰滅過程及潰滅時產(chǎn)生微射流的速度場、溫度場和壓力場進行數(shù)值分析，分析相同時間點各能量場的變化

2.1 計算模型

本研究選取的是工況2中 γ=1.4 的空泡潰滅過程，其數(shù)值模擬實驗的計算模型如圖3所示，空泡的中心位于 x=0 的軸線上，空泡半徑 R=5μm 、壁面距離 L=7μm ，流域劃分 290μm×145μm_c

2.2數(shù)值模擬結果與分析

通過數(shù)值模擬得到了整個空泡潰滅過程，觀看到微射流的存在，以及各能量的變化的云圖如圖4所示。

由圖4（a）為初始的空泡，圖5（a）初始狀態(tài)下的速度矢量，圖6（a）為初始狀態(tài)下溫度云圖，圖7（a）可以清晰地看到初始狀態(tài)下壓力梯度，圖4（b）～（d）空泡開始由于水的表面張力使液體表面最小化以及壓力梯度推動流體從高壓區(qū)流向低壓區(qū)的原因，可以清晰地看到空泡上端發(fā)生塌陷，并加速向下沖擊，形成微射流。圖5（b）～（d）可以清晰地看到微射流的速度急速上升到 192m?s^-1 。由圖6（b）～（d）可以看到，溫度尺標的上限一直在提高。壓力梯度的變化從圖 7（b）～（d） 可以直觀看出，隨著微射流速度的增大，壓強也在急劇增高，這是由于液體的高速流動和碰撞，使局部壓力的增加，內(nèi)能的增加，極大的射流速度、壓力和溫度，能夠?qū)ξ矬w的結構造成損害，到圖4（e）時空泡被分成兩部分。由圖5（e）、6（e）和7（e）可以看出，此時微射流的速度達到最大 230m?s^-1 ，這是由于空泡破裂時，周圍液體在極短的時間內(nèi)迅速填補大量空間而導致的，在填補的同時，流體之間高速碰撞，從而使溫度達到最高，壓力達到 5.8×10⁹Pa ，突破空泡下壁面向遠處沖擊，發(fā)展到圖4（f）時破碎的空泡也消失了，通過圖5（f）、圖6（f）和圖7（f）可以看到，微射流在沖擊壁面之后，速度、溫度和壓強都減小。

圖8是在監(jiān)測點（ x=0 ， y=0.00000018 ）得到的數(shù)據(jù)，其更加直觀地觀察到在相同時間點相同位置上的速度、溫度和壓強的變化，在整個時間軸上，可以看到在空泡潰滅時，微射流的溫度和壓強都達到了最大，但是在圖8中，速度峰值卻出現(xiàn)了不同，這是因為空泡還處于形變過程中，泡內(nèi)極少量蒸汽液化后產(chǎn)生了偶然的高速撞擊流動，所以出現(xiàn)將近300m?s^-1 的速度最大值，但是此時空泡液相體積分數(shù)非常低，空泡并沒有產(chǎn)生微射流，所以此刻的速度并不能代表微射流的最高速度。在 2.3×10^-7 s出現(xiàn)的第2個速度峰值 230m?s^-1 是屬于微射流加速沖擊時產(chǎn)生的最大速度。在此過程中，微射流的峰值并不是出現(xiàn)在微射流完成的瞬間，而是先加速然后受到表面張力等作用出現(xiàn)一定的減速最后突破產(chǎn)生的。在微射流沖擊釋放能量之后，溫度和壓強瞬間降低至初始狀態(tài)時數(shù)值，速度呈現(xiàn)下降趨勢下降至0m?s^-1 。

在各點物理量達到峰值時，即微射流突破表面張力釋放能量的瞬間，該瞬間在局部釋放的能量是降解有機廢水的重要原理之一。

通過圖9可以清晰地看到，微射流產(chǎn)生的能量在空泡潰滅也即擊穿空泡瞬間時而達到最大值。根據(jù)圖8也可以得到在相同時間段所有物理量均達到最大值，這時候微射流可以對有機物的降解反應發(fā)揮最大的效應。

2.3 空泡大小的影響

由10圖可以看出，距離壁面越遠射流速度越大，對比工況1和工況2，可以得出：在不同 γ 下，空泡半徑越大射流速度越大。當 γ=2 時，工況1速度達到 ，工況2射流速度達到 290m^?s^-1 ，兩者的速度比值約為2.5；當 γ=1.4 時，工況1速度達到 687m?s^-1 ，工況2速度達到 230m?s^-1 ，兩者比值約為3；當 γ=1.2 時，工況1和工況2兩者的速度比值約為2.6；當 γ=1 時，工況1和工況2兩者的速度比值約為2.7。對比上述3組數(shù)值可得出，在γ=1.4 的時候空泡半大小對射流影響速度較大。

2.4 環(huán)境圍壓的影響

對比圖11中工況2和工況3的結果發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境圍壓的增大，微射流的最大速度均呈現(xiàn)增大趨勢，在 γ=2.0 時最大速度幾乎達到 300m?s^-1 ，呈現(xiàn)6倍增長態(tài)勢，壓力變化更為迅猛，增幅達到了3個數(shù)量級。由此可見，空泡所受圍壓越大，對壁距離越遠，出現(xiàn)的微射流壓力越強，速度越大，能夠產(chǎn)生的機械效應更顯著，具有較強的流體擾動剪切作用。

3結論

通過對空泡模型的構建，能夠模擬出空泡變化過程中微射流的產(chǎn)生變化情況，利用VolumeofFluid方法進行有效模擬。

1）在考慮研究的對微射流的產(chǎn)生變化有影響的3種因素中，經(jīng)分析理論可知，空泡與固壁之間的距離對微射流速度的影響相對較小。然而，當此距離減小時，微射流的最大速度和壓力均呈現(xiàn)隨之減小的趨勢。

2）空泡半徑大小對微射流有著重大影響，具體表現(xiàn)為微射流的最大速度和壓強會隨著空泡半徑的增大而增大。

3）環(huán)境圍壓對微射流的影響最為顯著，當環(huán)境圍壓提高時，微射流的最大速度和壓強都會出現(xiàn)極為顯著的增大現(xiàn)象。這種變化規(guī)律對于深人理解微射流在不同條件下的特性具有重要意義，可為相關領域的研究和實踐提供有力的理論依據(jù)。

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Numerical Simulation Study on the Formation and Dynamic Characteristics of Microjets

YANG Yanyan，LI Fubao，HUO Yingda， GAOJingkai （ShenyangUniversity of Technology， ShenyangLiaoning111ooo， China）

Abstract：Microjetsaregeneratedinteearlystageofbubblecolse.Asthebubblecontracts，energyaccmulates initsuperpart anditbecomesfat.AtthistieicjetsappearAsthepressrecotiues tohange，theompressedsurfacecontiues todettil the microjetpenetratesthebubbleandcollapses.Thispapermainlysimulatesthegenerationofmicrojetsandthemagnitudesofthe velocityfield，temperaurefieldandpressrefeldatdifeentstagesofubbleollse.Teesultsshowedthattetrte cavitationbubbleisfromteallteshortertetieforgeneratigmicrojts，andtemaximummicrojetvelocityndprssealso increase.Thechangeitesizeofthecavitationbublealsohasa greatimpactonthe microjet.Thesmaler teradiusofthecavitation bubble，theslowerandsmalerthegenerationtimeandmaximumvelocityofthemicrojet.Whentheenvironmentalpressregradually increases，themaximmmicroetvelocitydcollapsepressrewilloasignicanticreasetrndItispatiularlynoterthtat in the case of γ=2.0 ， the increment of the collapse pressure is nearly doubled， and this change is extremely significant.

Key words： Microjet; Dynamic characteristics; Cavitation bubble; Numerical simulation