多孔孔板空化器孔分布對湍流流動的影響

0空化反應器結構形式的研究空化是液體流動的一種獨特且復雜的現象。隨著人們對空化的認識的深入，空化效果開始應用于包括混合氣水、空化清洗技術、水處理等領域。其中,水力空化技術具有能量利用率高、裝置簡單、操作方便等優點,目前研究主要集中在水力空化反應器的結構設計上,通過空化流場的模擬計算,研究水力空化效果的影響參數。空化反應器形式主要有文丘里管和多孔孔板。對于多孔孔板空化反應器,可以通過改變其孔數、孔間距、孔板厚度等參數控制孔板的空化特性,對其結構形式已有相關研究,但對于多孔孔板中孔的分布方式對空化效果的影響,雖有涉及但并不具體,也未見詳細對比。因此,基于標準κ-ε雙方程湍流模型,以多孔孔板為空化器,對不同孔分布孔板的空化特性和空化效果進行了數值模擬,以便能根據特定目的設計孔板空化器,以控制空化的強弱,為更好地開展水力空化反應器空化效果實驗和實際應用提供參考。1條件配置1.1空化過程的湍流特性采用三維定常不可壓縮雷諾時均N-S方程,以標準κ-ε雙方程湍流模型來描述空化過程中的湍流特性。湍流動能κ方程湍流動能耗散率ε方程G為湍流動能生成項湍流黏性系數1.2空化器及孔板區域的選取利用流體計算軟件FLUENT對流場進行計算,整個計算區域分成幾部分,以空間六面體進行劃分,各分布方式孔板表面離散網格如圖1所示。為了準確模擬空化器周圍渦流信息,對空化器以及孔進行了加密處理。孔板的主要結構參數為:孔數量為19個,孔徑為2mm,孔板厚度為10mm,孔板直徑為32mm,離散后整個流場空間單元約2.04×106個。由于計算流域的大小對計算結果的精確度有直接影響,因此,選取的計算區域應保證流場的充分發展。為了避免來流或尾流對空化效果產生影響,計算區域入口處和出口處均遠離空化器。圖2為具體計算區域示意圖,如圖所示,孔板前端距離入口70mm,后端距離出口150mm。1.3量的非溶解氣體的氣核水力空化產生必須滿足兩個條件:一是局部壓力低于水的飽和蒸氣壓;二是水中含有一定數量的非溶解氣體的氣核。模擬計算時,以25℃水的物理參數為計算依據,其飽和蒸氣壓為2367.8Pa,表面張力為0.0717N/m,密度為998.2kg/m3,入口設為壓力入口,壓力值設為0.5MPa,出口設為壓力出口,且靜壓為零。2結果與討論2.1汽化壓力pr孔分布方式對空化效率的影響見表1。其中,空化數Cv可以衡量空化強度,表示式為:Cv=(p0-pr)/0.5ρv02,式中,p0為孔板下游的恢復壓強/MPa;pr為相應溫度下水流的汽化壓強/MPa;v0為孔內水的平均流速/(m·s-1);ρ為水的密度/(kg·m-3)。從表1可以看出,當孔板直徑一定、孔數量和孔徑均相同時,不同孔分布孔板的空化效率參數有所不同:與圓形陣列孔板相比,圓形均布孔板的空化數和喉部速度大小相等,而平均汽含率以及最大湍動能較大,說明圓形均布孔板的空化效果比圓形陣列孔板的空化效果好。而水平均布孔板的汽含率、湍動能以及喉部最高速度均大于兩種圓形孔分布孔板,空化數小,說明水平均布孔板的空化效果好。2.2孔內流速隨壁面速度的變化特性,表現為外在環圖3為不同孔分布孔板對稱面上的流線速度矢量圖,從圖中可以看出,3種孔分布方式的孔板都是在孔板及其后部管段中速度較高,孔板的孔處速度最大,受慣性作用,孔內高速水流在流出孔后仍然保持較高的速度,如同射流,之后在管壁附近受摩擦阻力影響流速急劇下降,而中心處流速仍然較高,經孔板高速射流后,在臨近壁面處均有漩渦產生。另外,不同孔分布孔板的空化流場中速度流線分布是不同的,圓形陣列孔板中產生的漩渦處于遠離孔板的管壁邊緣,圓形均布孔板則在距離孔板遠近不同的位置處產生了多個漩渦,水平均布孔板產生的漩渦距離孔板較近,偏離管壁較遠。2.3流場加強情況湍動能的變化幅度體現了孔板空化強度的強弱。當流場中有空化現象發生時,流場會出現強烈擾動,湍動能急劇增加(見圖4)。從圖4可以看出,進入孔板前的流場湍動能很小,進入孔板后有所增加,在流出孔板后流場湍動能急劇增加,在距離孔板一定位置后湍動能達到最大,后逐漸減小。湍動能的增加是由空化現象引起的,空泡的產生和潰滅引起了流場的擾動,脈動壓力增加,湍動能也相應升高。當流場遠離空化區域后,湍動能逐漸降低,恢復到初始狀態。模擬計算結果顯示,孔板孔分布方式對對稱面上的湍動能分布有一定影響,其中水平均布多孔孔板中湍動能最大,圓形陣列多孔孔板中湍動能最小。2.4孔內流域中高汽含率區域的變化圖5給出了不同孔分布孔板對稱面上汽含率分布的散點圖,清楚地表明了汽含率的分布狀況,圖中橫坐標為z軸坐標,孔板位置處于0~10mm之間。從圖5中可以看出,大部分空化發生在孔板孔內流域中,且高汽含率區域發生在孔板末端區域,汽含率最大值約100%,說明有部分區域接近完全汽化,但該情況僅發生在孔末端很小的區域內。圓形均布孔板和圓形陣列孔板的汽含率散點圖分布基本相似,但在z軸坐標5~10mm處,圓形均布孔板有部分汽含率明顯高于圓形陣列孔板,這也是表1中圓形均布孔板平均汽含率高于圓形均布孔板的主要原因。另外,在z軸坐標0~6mm區域內,圓形陣列和圓形均布孔板均存在一部分汽含率近似為0的區域,而水平均布孔板內部汽含率分布比較集中,大部分處于10%~50%之間,在整個孔板內不存在汽含率近似為零的區域。3多孔孔板的空化通過對圓形陣列、圓形均布以及水平均布3種多孔孔板的數值模擬計算以及對結果的分析,得出以下結論:(1)水平均布多孔孔板的空化效果優于圓形陣列和圓形均布多孔孔板,圓形均布多孔孔板空化效果好于圓形陣列多孔孔板;(2)孔分布方式對小孔處流速影響較小,但對孔板后臨近壁面處漩渦產生的位置及數量有影響;(3)水平均布多