趙孟石，王 悅,2，裴 禹，李大尉，姚鴻賓，姚立明，丁 銳

(1.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院,哈爾濱 150020； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

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錐角對(duì)錐形空化器空化性能影響的研究

趙孟石1，王 悅1,2，裴 禹1，李大尉1，姚鴻賓1，姚立明1，丁 銳1

(1.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院,哈爾濱 150020； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

圓錐型水下空化器由于其優(yōu)異的空化性能而得到廣泛應(yīng)用，然而，錐角大小對(duì)其空化性能的影響卻鮮有研究，本文旨在闡釋錐角對(duì)空化性能的影響大小。選取錐角分別為60°、90°、120°的空化器，在來(lái)流速度為60 m/s時(shí)條件下，通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了其壓力場(chǎng)分布以及繞流鈍體前后流場(chǎng)的水蒸氣體積分?jǐn)?shù)分布。結(jié)果表明:隨著錐角的增加，空化區(qū)域具有先增加、后減小的趨勢(shì)，表明存在一個(gè)最佳的錐角值。

水下空化器；數(shù)值模擬；水蒸氣體積分?jǐn)?shù)；錐角；空化性能

空化現(xiàn)象自從首次發(fā)現(xiàn)于英國(guó)一艘驅(qū)逐艦的螺旋槳上，就通常和負(fù)面效應(yīng)聯(lián)系在一起，例如:在流體機(jī)械中，空化現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)帶來(lái)噪聲、振動(dòng)和過(guò)流部件的空蝕破壞等負(fù)面影響[1]。然而，隨著近年來(lái)對(duì)空化現(xiàn)象研究的不斷深入，許多利用空化的技術(shù)被應(yīng)用到工程實(shí)際當(dāng)中，如:利用空化射流清洗物面(除污、除銹、除船體海洋生物)，利用空化殺滅水中浮游生物，利用空化射流分散海面溢油等[2-3]?？栈且后w中的壓強(qiáng)下降到某一臨界值后，液體內(nèi)部原來(lái)含有的微小氣泡(通稱氣核)在液體中迅速膨脹，形成含有水蒸氣或其他氣體的明顯氣泡的過(guò)程?？栈F(xiàn)象可以在很多液體流動(dòng)中發(fā)生，包括流體機(jī)械、水下航行體，等等[4]。

圓錐型水下空化器由于其優(yōu)異的空化性能而得到廣泛應(yīng)用，然而，錐角大小對(duì)其空化性能的影響卻鮮有研究。本文旨在闡釋錐角對(duì)空化性能的影響大小，選取錐角分別為60°、90°、120°的空化器，在來(lái)流速度為60 m/s時(shí)通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究其壓力場(chǎng)分布，繞流鈍體前后水蒸氣體積分?jǐn)?shù)分布。分析結(jié)果表明:錐角對(duì)壓力場(chǎng)的影響較大，對(duì)空化區(qū)大小影響較小。本文結(jié)構(gòu)如下:第1節(jié)中介紹了空化器的工作原理、物理結(jié)構(gòu)以及數(shù)值求解時(shí)網(wǎng)格劃分方法。第2節(jié)中分析了空化器在不同來(lái)流速度下的空化性能。第3節(jié)中進(jìn)一步總結(jié)了模擬結(jié)果。

1 求解域的網(wǎng)格劃分及數(shù)值計(jì)算方法

圖1是本文所研究物理模型的網(wǎng)格劃分(由于不同錐角網(wǎng)格劃分方法類似，這里只給出了120°錐角時(shí)的網(wǎng)格劃分情況)。空化器的工作原理為:在管道中鑲?cè)氩煌瑤缀涡螤畹拟g體(本文為120°錐體)，空化器的左側(cè)通入高速流體。當(dāng)高速流體繞流鈍體時(shí)，將在鈍體后面形成空化區(qū)，空化區(qū)產(chǎn)生的小空泡射流潰滅而創(chuàng)造高溫、高壓、微射流條件，達(dá)到空化的目的，因此，空化區(qū)越大，則空化性能越好。影響錐形空化器空化性能的主要因素是來(lái)流速度以及錐角大小。在此前的研究中研究了流速對(duì)錐形空化器的性能影響，本文主要研究錐角對(duì)空化器空化性能的影響。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分。由于采用了非平衡壁面函數(shù)對(duì)近壁面區(qū)域進(jìn)行處理，因此在劃分網(wǎng)格時(shí)不需要在壁面區(qū)加密，只需要把第一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)布置在對(duì)數(shù)律成立的區(qū)域內(nèi)，即配置到湍流充分發(fā)展的區(qū)域。

圖1 圓錐型空泡清洗器空化流動(dòng)問(wèn)題計(jì)算域、網(wǎng)格和邊界條件Fig.1 Cone-type airfoil cleaner cavitation flow problem in calculation domain, grid and boundary conditions

數(shù)值計(jì)算在商業(yè)軟件Fluent上實(shí)施，相關(guān)設(shè)置如下:A.收斂判斷準(zhǔn)則。計(jì)算域進(jìn)出口質(zhì)量流量近似相等，其差值不超過(guò)0.01%；監(jiān)測(cè)的各殘差值隨著迭代次數(shù)的增加降到規(guī)定的數(shù)值以下；監(jiān)測(cè)的水蒸氣體積分?jǐn)?shù)面積加權(quán)平均值最終維持在一個(gè)定值不變。B.流體物性參數(shù)設(shè)定。液態(tài)水物性參數(shù)設(shè)定:密度為998.2 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.001 003 Pa·s。氣態(tài)水物性參數(shù)設(shè)定:密度為0.025 58 kg/m3，動(dòng)力黏度為1.26×10-6Pa·s。C.模型選擇。多相流模型采用混合模型。空化模型采用Schnerr-Sauer模型，氣泡數(shù)密度設(shè)定為默認(rèn)值1×1013，飽和蒸汽壓為103 540 Pa。湍流模型選擇Realizablek-ε模型，采用非平衡壁面函數(shù)處理近壁區(qū)域。D.數(shù)值計(jì)算方法選擇。采用PISO算法對(duì)代數(shù)方程進(jìn)行離散求解的具體實(shí)施方案為:壓力采用PRESTO格式；動(dòng)量方程、k方程、ε方程均采用二階迎風(fēng)格式；體積分?jǐn)?shù)方程采用一階迎風(fēng)格式。E.邊界條件設(shè)定。入口采用60 m/s的速度進(jìn)口條件，出口為壓力出口邊界條件，壓力大小設(shè)定為2個(gè)大氣壓。計(jì)算域壁面和空泡清洗器面均設(shè)為無(wú)滑移壁面。具體設(shè)置如圖1所示。

2 計(jì)算結(jié)果分析

從圖2中可見(jiàn)，隨著錐形空化器中水流噴射速度的增加，鈍體繞流后壓力場(chǎng)增大，注意到來(lái)流速度相同，則在小角度下錐形空化器更容易在鈍體之后形成空化區(qū)。同時(shí)，在鈍體和管壁之間的喉部區(qū)域，流速增加，壓力驟降。隨著錐角的增加，在喉部區(qū)域壓力梯度變化逐漸減小。壓力的減小符合伯努利方程。在鈍體前方，高壓區(qū)分布較為均勻，在鈍體后方，低壓區(qū)分布也比較均勻。流體壓力在通過(guò)喉部時(shí)迅速驟降至低壓，在此區(qū)域內(nèi)空化初生的可能性較大。壓力場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果表明，小錐角更容易在鈍體繞流的后方形成低壓區(qū)，這是因?yàn)殄F角斜面的導(dǎo)流作用所致。而錐角較大時(shí)，來(lái)流撞擊錐面，會(huì)產(chǎn)生一定程度的回流，減小了喉部的速度，因而繞流后壓力較大。總之，從壓力場(chǎng)的結(jié)果來(lái)看，小錐角更傾向于產(chǎn)生空化。

圖2 v=60 m/s流速下錐形空化器分別在60°、90°、120°(a,b,c)錐角下的壓力場(chǎng)分布Fig.2 Distribution of pressure field of conical cavitator at 60°, 90°, 120° (a, b, c) respectively, at v=60 m/s

圖3給出了不同水流噴射速度下錐形空化器內(nèi)水蒸氣的體積分布。水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)定量衡量空化性能，當(dāng)水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)接近1時(shí)，表明此時(shí)流動(dòng)區(qū)域?yàn)闅庀嗔鲃?dòng)，為空化區(qū)。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，在來(lái)流速度為60 m/s的條件下，三種不同錐角的錐形鈍體后都產(chǎn)生了空化區(qū)，空化氣泡呈梯形結(jié)構(gòu)，空泡的底端整個(gè)附著在錐體地面，隨著流動(dòng)的發(fā)展，空泡橫截面減小。三種工況下空泡頂端具有凹陷結(jié)構(gòu)，表明此處空泡最先從該區(qū)域開(kāi)始潰滅，而隨著錐角的增加，此凹陷區(qū)域具有先減小，后增加的趨勢(shì)。從空泡的大小可以看出，隨著錐角的增加，空泡先增加后減小。由于空化是壓力和速度共同作用的結(jié)果，因而可以得出，雖然繞流后壓力隨錐角增加而增加，但其空化效率并非一直減小?？张葸吘墝儆跉庖簝上嗔?，此區(qū)域中存在微小氣泡，在射流至物體表面時(shí)，氣泡潰滅，同樣具有一定的空蝕作用。上述計(jì)算結(jié)果表明:對(duì)錐形空化器而言，錐角太大或太小均不適于空化性能的提高。

圖3 v=60 m/s流速下錐形空化器分別在60°、90°、120°(a,b,c)錐角下的水蒸氣體積分?jǐn)?shù)分布Fig.3 Cone angle of the water vapor volume fraction distribution of the cone-shaped cavitator at 60°, 90°, 120° (a, b, c) underflow rate at v=60 m/s

3 結(jié)語(yǔ)

為了闡釋錐形空化器錐角大小對(duì)空化性能的影響，本文在60 m/s的流速下，對(duì)繞流錐角為60°、90°、120°鈍體空化器的壓力場(chǎng)及水蒸氣體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果表明:隨著錐角的增加，鈍體后的流場(chǎng)壓力增加，但空化區(qū)域呈現(xiàn)先增加，后減小的趨勢(shì)?？张菰?0°左右具有極大值。此外，錐角對(duì)空化性能的影響主要體現(xiàn)在繞流后壓力場(chǎng)的變化。存在一個(gè)最佳錐角，在此錐角下，空泡體積最大。

[1] 黃繼湯.空化與空蝕的原理及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，1991.

[2] 陳利軍，吳純德，張捷鑫.水力空化技術(shù)在飲用水消毒中的應(yīng)用[J].水處理技術(shù)，2007，33(03): 45-48.

[3] 張曉東，李志義，等.水力空化對(duì)化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)化效應(yīng)[J].化學(xué)工程，2005，(56): 262-265.

[4] 尤國(guó)榮.環(huán)隙型水力空化器對(duì)過(guò)程強(qiáng)化性能的研究[D].大連:大連理工大學(xué)，2010.

Study on the effect of taper angle on cavitation performance of conical cavitation cleaner

ZHAO Meng-shi1, WANG Yue1,2, PEI Yu1, LI Da-wei1, YAO Hong-bin1, YAO Li-ming1, DING Rui1

(1.Health Research Institute, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150020, China;2. Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The conical underwater vacuolar cleaner is widely used because of its excellent cavitation performance. However, the effect of cone angle on its cavitation performance is rarely studied. The purpose of this paper is to explain the effect of cone angle on cavitation performance. We selected the cavitators with taper angles of 60 degrees, 90 degrees and 120 degrees respectively. At the flow velocity of 60 m/s, the pressure field distribution at the flow front and back flow were studied by numerical simulation. The volume fraction of water vapor in the field. The results show that with the increase of taper angle, the cavitation region has the tendency of increasing first and then decreasing, indicating that there is an optimal cone angle.

Underwater airfoil cleaner; Numerical simulation; Water vapor volume fraction; Taper angle; Cavitation performance

2017-03-17

趙孟石(1987-)，男，碩士，助理研究員。

TH311

A

1674-8646(2017)10-0038-03