文丘里管式空化器的数值模拟

关新欣，张庆玲，王泽鹏

(青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061)

现代工业飞速发展造成的全球性水污染问题越来越严重，严重影响了全球的经济发展[1]。当前，各个国家均十分重视水污染问题，并努力开发能够解决水污染问题的各类方法及技术。水力空化[2-3]技术是一种新型的水处理技术[4-5]，既能够对各类不同的污染物进行处理，还具有独特的优势[6]，如能够进行二次污染反应、结构简单、维修保养方便等。该优点在处理有机污染物以及因生化反应导致的污染时具有特别价值[7-10]。目前，研究者对水力空化技术的研究主要集中于空化的3种形式，射流空化[11]、孔板空化[12]以及漩涡空化[13]等。但这3种空化方法均不能有效地破坏空化气泡(即不能使其迅速破碎并释放出能量)，因此，限制了水力空化技术的推广。文丘里管空化装置可以更好地解决空化气泡有效塌陷的问题，更有效地产生空化效果[14-16]。

水力空化是指流体里面的压力变低到流体的饱和压力时，在液体的内部或在液-固界面处气泡生成、发展和破裂的一种现象[17]。水力空化是一个较为复杂的过程，只有当环境条件满足的时候，才会在流体里面形成空化。在此前研究[18]的基础上，利用Fluent软件考察了文丘里管空化装置入口直径、入口压力和喉部直径等参数对文丘里管空化装置流场的影响，同时探究了空化器结构对空化程度和空化流场的影响，并且以含气率来确定空化效果最好的空化器。

1 模型及参数设置

1.1 建模及网格划分

模拟试验采用Fluent软件，首先对文丘里管进行建模以及划分网格。由于其建模后的二维模型为轴对称图形，因此取其一半进行数据推理即可。建立的模型及网格划分见图1和图2。

图1 试验建模的二维模型

图2 试验建模的网格划分

1.2 设置参数和算法

利用Fluent软件对文丘里管水利空化器的性能进行模拟分析。在整个模拟过程中，需要对进出口的边界条件以及材料的物性参数分别进行设置。假定水为不可压缩流体，空气温度设置为25 ℃。

1.3 网格相关性验证

对模型进行3种不同的网格划分，网格数分别为14万，17万，20万。以含气率为指标，得到3种网格划分的相关性验证图，见图3。

图3 网格相关性验证

由图3可见：根据3种不同的网格数量，模拟出的结果差距很小。说明随着网格数由14万增加到20万，数值计算结果的精度随网格数量的增加变化不大，因此，为了模拟的方便与精度，选用网格数为17万的模型进行模拟分析。

2 模拟结果与分析

为研究不同的结构和尺寸的参数对空化效果的影响，通过控制变量的方法设计了8种文丘里管，设计数据见表1。通过对8种文丘里管进行选择和分组对比，在确定某个变量为前提下，对其做模拟分析，探究管子入口直径、喉管直径等因素对空化效果的影响。

表1 文丘里管的结构

2.1 入口压力对空化器空化效果的影响

选择2#文丘里管进行分析，其结构参数如下：管子入出口位置直径均为50 mm，喉管直径为12 mm，渐扩管长度为140 mm。模拟计算其在不同的压力下压力云图的变化，结果见图4。

系统中文丘里管空化器主要分为2个部分：一个是渐缩管，一个是渐扩管，其作用方式正好相反，一个是减压、增速；另一个是增压、减速。渐缩管及渐扩管相反的作用方式导致不同的作用效果，渐缩管的作用使喉管位置的压力通常处于饱和蒸汽压力之下；渐扩管又使液体在离开关口的时候尽可能恢复到入口时的压力。通过观察图4，2#文丘里管在不同的压力入口的压力云图，由彩色的变化可知，整体的变化趋势一致，均在空化器的前半段，流体的压力充分发展，在临近喉管的时候，流体的压力明显降低，最后在渐扩管压力恢复。同时，通过观察不同压力下的云图，很明显能看出其压力恢复的速率是不同的，空化器入口的压力越大，流体压力恢复的速率明显减慢。这也从侧面说明随着入口的压力增大，流经空化器的流体处于饱和蒸汽压力下的时间越长，其空化的效果就会得到保证。

对于空化器，压力云图不能直接反映出其空化的效果。通过含气率的变化云图，能更直接的反映出空化器的空化效果。2#文丘里管不同压力下含气率云图的变化见图5。

图4 2#文丘里管不同压力下入口压力云图

图5 2#文丘里管不同压力下含气率云图

由图5可见：在喉管的出口处，也就是气相区，就出现了气泡，然后在渐扩管的前段高度发展。并且随着压力的增加，含气率也在增加。

导出模拟的数据绘制不同入口压力下2#文丘里管含气率随压力的变化，结果见图6。

由图6可见：随着入口压力的增大，文丘里管的含气率也在增加，但是其增加的曲线斜率在变低，表明当入口压力到达一定值时，含气率就不再随压力增加而增大，也即存在一个较优的入口压力值，使空化效果达到较优水平。

图6 不同入口压力下含气率变化

2#文丘里管不同压力条件下的湍流强度变化云图见图7，为更加直观的反映湍流大小变化的情况导出模拟数据绘制变化曲线图8。

图7 不同压力下的湍流大小变化情况

图8 湍流强度值随压力变化曲线

由图7和图8可见：随着入口压力的增大，文丘里管的湍流强度也在不断增大，同时其变化曲线的斜率在不断减小并趋于平缓。结合含气率变化图以及湍流变化图可知，只有在符合要求的气液两相区才会出现相关的湍动现象，这能使流体中产生的气泡充分大，以至在气泡破裂区随着湍流强度的增大瞬间破灭，并产生高温高压，该现象较好地解释了文丘里管的空化作用。

2.2 喉部直径对空化器空化效果的影响

取1#、2#、3#和4#文丘里管的喉部直经为变量，其他参数(管子入出口位置直径、渐扩管长度)不变的情况下，考察了不同压力下含气率随喉部直径大小的变化情况，结果见图9。

图9 不同压力下含气率随喉部直径大小的变化情况

由图9可见：当入口压力为0.3～0.6 MPa时，随着喉部直径由10 mm逐渐增至16 mm，含气率呈逐渐升高再减低的趋势。但当入口压力为0.7 MPa时，含气率随喉部直径的增大呈一直降低的趋势，这是由于流体经过喉管受到高压造成，即空化效果并不随压力的增大而变好。综上，若喉部直径较小，就会导致空化泡形成失败，空化效果不佳；若喉管尺寸过大，压力梯度就会变小，同样不利于空化气泡的产生、破灭，导致空化效果不好。

2.3 入口角度对空化器空化效果的影响

文丘里管中的空化器部件输入位置的角度也会在一定程度上影响空化效果。选择2#空化器进行相关研究，其中其输出位置尺寸是50 mm，喉管直径是12 mm，长度为12 mm，入口压力为0.5 MPa，入口角度对空化效果的影响见图10，对含气率的影响见图11。

图10 不同入口角度产生的压力云图

由图10可见：随着入口角度的增大，流体压力随之减低。在靠近喉部的地方，流体在经过其后半部分的时候，压力会在短时间内达到负压，表明在饱和蒸汽压力下，空化会在其后半部分进行加剧反应，而渐扩管也会在此处进行恢复。当入口角度由40°增大至55°时，其反应面积随之增大，整体的空化效果也随之变好。当入口角度达到60°时，负压区的反应面积缩小，整体的空化效果会变差。也从另外的角度说明，不同大小入口角度的压力分布也有很大的不同，同时也会让空化进程出现不同的变化，此时选择入口角度为50°时，能够产生最大的空化效果。

图11 不同入口角度对含气率的影响

由图11可见：蓝色区域表示无空化气泡的产生，这可在文丘里管的喉部以及入口位置观察得到。其中，喉部位置的含气率有少量的变化，表示在入口位置能够产生一些少量的气泡，接着气泡也会慢慢增加，随着距离上管壁越来越近，其颜色变得越来越深，代表着空化所产生的气泡变得越来越多。在入口角度为40°～55°时，整个含气率随着渐扩管位置由中间到两边，颜色由浅至深慢慢变化，表明在喉管的后端，含气率会慢慢降低，并且空化效果也越来越差。

在空化器的后端，由于压力逐步恢复到原来的水平，其含气率会逐步下降，空化强度也会随之变小，表明压力大小是空化进程中非常重要的一个因素。其中，当入口角度为60°时，整个红色面积最小，也即含气率最低；当入口角度达到一个最佳值时，空化效果也最好。若入口角度较小，喉部出口位置的压力得不到明显的改变，会导致含气率过低；若入口角度太大，难以产生空化气泡，会导致空化效果不好。综上分析，入口角度优选50°。

2.4 入口直径对空化器空化效果的影响

一定时间内流体的体积是由入口及出口直径决定的。采用5组不同入口直径的管子(2#、5#、6#、7#和8#)，入口位置压力为0.3 MPa，考察空化器入口直径对空化效果和含气率的影响，结果见图12和图13。

图12 不同入口直径对压力的影响

不同入口直径的空化器中，5种不同尺寸大小的空化器中所产生的压力有很大变化。进出口尺寸大小直接影响到重要部件渐缩管以及渐扩管的整体构造，因此，进出口尺寸大小在空化器较多的结构要素中发挥着非常重要的作用。由图12可见：在渐缩管末端和喉部前端，图标代表压力的颜色出现分层变化，由于入口直径变大，其喉部前后2个部分会有很明显的颜色分层，而当入口直径等于50 mm时，喉部位置的压力变最明显，表明当入口直径等于50 mm时，渐缩管能起到的作用最好。当入口直径等于50 mm时，回压段标记的颜色较其他组要深，这也表明此时的压力恢复速度较快，该阶段的耗能是最少的，空化效果最好。

由图13可见：当压力分别为0.3，0.4，0.7 MPa时，含气率随入口直径的增大，呈现显著增高状态，达到一个阈值后，然后慢慢下降到一定阶段变成平缓状态。当压力为0.5，0.6 MPa时，含气率随入口直径的增大而升高，在入口直径为50 mm时达到最大阈值，然后缓慢下降。因此，入口直径优选50 mm。

3 结论

利用Fluent软件，建立了文丘里管空化器的计算模型，考察了入口压力、喉部直径、入口的角度和入出口位置的直径对空化效果的影响，得到了以下结论。

1)空化过程中会在喉部产生空化泡，并沿着渐扩管慢慢扩大，在喉部中间的部位达到最大值，并在其下半部分慢慢缩小消失。

2)入口压力慢慢加大的情况下，空化效果也会越来越好。随着入口位置压力的逐渐加大，含气率会受其影响而变大，增加的幅度会慢慢变小。表明当入口压力等于一个阈值时，含气率达到最大值不再随着压力变化而变化，增加的斜率也呈慢慢变小的趋势。所以压力达到阈值的时候，含气率不再增大，而湍流动能会快速扩增，使得管内存在的湍流变得更加强烈。

3)当结构参数不变时，喉部的直径会影响整个含气率的变化。当喉部的直径从10 mm慢慢加大到16 mm的时候，含气率此时也会逐渐变大，而喉部直径达到14 mm的时候，含气率会到达最高值，然后再慢慢缩小。喉部直径会影响到空化效果。如喉部直径太小，则不容易产生空化泡，使得空化效果变差；如喉部直径太大，则压力会随之变小，空化泡同样也不容易产生，使得空化效果变差。

4)入口角度优选50°，角度太小难以产生射流及空化泡，角度太大压力流场会发生破坏，导致空化效果变差。

5)入口直径优选50 mm。入口直径太小，空化器的恢复速度会变慢，导致空化效果变差，降低整个系统的空化效率，入口直径太大，含气率会慢慢减低，损耗动能，导致空化效果变差。