自激共振噴嘴與錐形噴嘴空化發生器的空化特性仿真研究

2013-10-26 09:05:52關善超胡雪佳陜西師范大學物理學與信息技術學院陜西西安710062

長江大學學報(自科版) 2013年1期

關善超,胡雪佳 ( 陜西師范大學物理學與信息技術學院，陜西西安 710062)

沈壯志 (陜西師范大學物理學與信息技術學院陜西省物理研究所,陜西省超聲學重點實驗室，陜西西安 710062)

關善超,胡雪佳 ( 陜西師范大學物理學與信息技術學院，陜西西安 710062)

沈壯志 (陜西師范大學物理學與信息技術學院陜西省物理研究所,陜西省超聲學重點實驗室，陜西西安 710062)

運用Fluent軟件、k-ε模型、氣液兩相流空化模型，模擬計算了相同噴嘴直徑下的自激共振噴嘴和錐形噴嘴空化發生器的空化特性，得出了自激共振噴嘴在同樣條件下出現空化現象所需時間比錐形噴嘴少，空化區域大，湍流動能強的結論，對設計空化發生器有一定的指導作用。

自激振動；空化；噴嘴

隨著科技的進步，生活中的污染尤其是水污染也越來越嚴重。我國是世界上最缺水的國家之一，怎樣方便且無二次污染的處理化學生活污水成了重要的研究課題，而空化現象由于其瞬間產生的高溫高壓能很好的分解大分子化合物且無二次污染，成為了人們重點關注的方法之一。產生空化的基本方法有超聲空化和水力空化，超聲空化已經在加速化學反應實現非均相反應物間的均勻混合及超聲清洗、鉆孔方面做出了不少貢獻，但是超聲空化同時存在能量利用率低、空化效應區域小的缺點[1]，而水力空化正好彌補了該缺點，在化工應用方面優勢明顯[2]。

近些年研究表明，空化發生器的結構對空化場的分布有十分顯著的影響，漸變型空化發生器產生的空化區域范圍大，比突變性反應發生器優勢明顯，且最佳入口壓力為0.55MPa[3]。自激共振射流可以很好地產生空化效應，且湍流動能更強[4]。王萍輝等的研究表明，諧振腔長度L與諧振腔噴嘴直徑d的比值L/d不同會影響出口速度及脈動壓力，而當其比值在2.1附近時出口速度最大[5]。下面，筆者研究自激共振噴嘴與錐形噴嘴(自激共振噴嘴選用L/d=3的自激共振噴嘴，k-ε湍流方程和schnerr-sauer空化模型[6])在0.55MPa下的空化場及壓力場。

1 2種噴嘴模型的建立

圖1和圖2分別是錐形噴嘴空化發生器和自激共振噴嘴空化發生器2種噴嘴的平面示意圖，示意圖上所有尺寸的單位為毫米，D為入口直徑，d為噴嘴直徑。L為諧振腔長度，保證流場區域長度和尺寸一致。

圖1 錐形噴嘴空化發生器圖2 自激共振噴嘴空化發生器

2 數值模擬與控制方程

Fluent模擬流體空化使用Gambit建立二維模型和劃分網格，網格數在10萬左右，充分保證了模擬的精確性。經驗證即使網格數再增加，對模擬精確度影響很小而且影響計算速度。流域內流體為水，其參數為fluent數據庫自帶的標準大氣壓下的水的參數。

1)模擬的動力學方程流體為不可壓縮粘性流體，其運動規律受控于Navier-Stokes方程：

式中，u為流體流速；P為流體壓力；ρ為流體密度； ?為流體粘滯系數。

湍流方程采用標準k-ε模型，其中k表示湍流動能，ε表示湍流耗散項。其運輸方程為：

式中，Gk表示由層流速度梯度而產生的湍流動能；Gb是由浮力產生的湍流動能；YM是可壓縮湍流中過渡的擴散產生的波動；C1、C2、C3是常量；σk和σε是k方程和ε方程的湍流Prandtl數；Sk和Sε自己定義。Fluent默認值為：

C1ε=1.44C2ε=1.92Cμ=0.09σk=1.0σε=1.3

2)模擬的空化模型采用Schnerr-Sauer空化模型，主相為水，第2相為水蒸氣，由于流體的高速運動，造成局部出現負壓區，當負壓達到一定值(-9.78×104Pa)，則fluent默認出現空化現象。空化流場受以下方程控制：

式中，t表示時間；u表示速度；ρm、ρ?、ρ表示混合相密度、汽相密度和液相密度；δij表示克羅內克數；α?表示汽相體積分數；μ和μt表示混合介質動力粘度和湍流粘度；R表示相間質量傳輸率。

3 數值模擬結果與分析

1)錐形噴嘴的壓力場和空化場分布結果圖3顯示了錐形噴嘴在文丘里管中的空化過程中的壓力場變化，在t=0.0037s時開始出現空化現象，此時負壓區壓力為-9.78×104Pa，空化首先出現在噴嘴處，之后隨時間延長負壓區域逐漸擴大，在0.008s時達到穩定，基本上遍布整個文丘里管。圖4是錐形噴嘴的空化云圖，同壓力云圖對照可知，空化場出現在流體的負壓區，最終基本遍布整個文丘里管。

圖3 錐形噴嘴的壓力云圖圖4 錐形噴嘴的空化云圖

2)自激共振噴嘴的壓力場和空化場分布結果圖5顯示了自激共振噴嘴在文丘里管中的空化發生過程，在t=0.00334s時達到空化條件，比錐形噴嘴空化開始早，但是最終達到穩定空化時間比錐形噴嘴晚，負壓區域大。圖6顯示了自激共振噴嘴在文丘里管中的空化場分布，可以看出自激共振噴嘴空化現象出現時間早，且產生的空化場更大，比錐形噴嘴更有優勢。

3)2種噴嘴湍流動能比較由圖7和圖8可以清晰直觀的看到自激共振噴嘴的湍流動能最大值比錐形噴嘴強約55%，而且自激共振噴嘴在出口處湍流動能有一個增加過程，湍流動能在出口處有2處對稱增強區，因此也就解釋了為什么自激共振噴嘴的空化區域比較大。