超聲頻率和管型對超聲空化效應的影響研究*

張艾萍 楊 釗 夏榮濤 丁 權 張媛媛

(東北電力大學能源與動力工程學院)

超聲頻率和管型對超聲空化效應的影響研究*

張艾萍**楊 釗 夏榮濤 丁 權 張媛媛

(東北電力大學能源與動力工程學院)

利用FLUENT軟件對不同換熱管型在不同頻率下的空化效應進行了數值模擬。通過比較換熱管中的汽含率，反映空化效應的優劣,得出最佳的空化頻率。結果表明：圓管、波紋管、波節管在超聲頻率為20kHz時空化效果最佳，橫紋管在超聲頻率20～25kHz范圍內的空化效果最佳。對于不同結構的換熱管道，橫紋管的幾何結構更有利于空化的產生，其次是波紋管和圓管，波節管最不利于空化的產生

換熱管 超聲波頻率 超聲空化 數值模擬

在當今資源緊缺和環境惡化的現狀下，節約資源顯得越來越重要。這也使得換熱器除垢技術需不斷地更新發展，以減少對能源的浪費。由于超聲波除垢具有能耗低、無污染等特點，是一項安全、節能、符合國家環保政策的新技術，并在工業應用中逐漸發展成熟，因此，該技術在不同行業中推廣開來[1，2]。在超聲波除垢技術中，超聲空化效應起到了重要作用，也直接影響了除垢效果的優劣，因此，國內外學者對超聲空化的研究也在逐漸深入。Liu L Y等研究了水中不凝結性氣體對超聲空化的影響[3，4]，研究表明不凝結性氣體含量小的流體超聲空化效果較好，并對比了不同不凝結性氣體含量下的空化程度。García-Atance Fatjó G等研究了超聲波參數對空化強度和金屬表面氣蝕的影響[5]。Niemczewski B研究了堿性溶液溫度對超聲空化的影響，發現堿性溶液諸如碳鈣鹽、硅酸鹽和磷酸鹽溶液的最佳空化溫度為60℃，并比較了60℃時不同頻率對空化效果的影響[6，7]。劉麗艷等研究了固體顆粒對超聲空化場的影響，表明在流體中加入固體顆粒不但提高了超聲空化強度而且改善了聲場的均勻性[8]。李林等利用Matlab進行編程，研究了超聲波參數及流體介質參數對單個空化泡的影響，低頻率高功率對于超聲空化泡的產生比較有利，流體粘度越小、不可壓縮氣體含量越高，空化效果越好[9～12]。曹玉葉等研究了雙空化泡的運動特性[13，14]。賁永光等實驗分析了單頻和復合頻對空化效果的影響[15]。盧行芳的研究表明，超聲波在傳播過程中存在熱效應，這種熱效應會使傳播介質溫度升高[16]。劉秀梅等研究了不同表面張力、頻率、氣泡初始半徑、環境壓力對空化泡運動的影響[17]。王萍輝在對超聲空化的有關理論進行了研究的基礎上，研究、分析與總結了影響超聲空化液體的若干物理參數、聲場參數及環境壓力等多種因素[18]。孫冰和張會臣運用FLUENT軟件對磁致伸縮超聲振動儀中超聲空化的影響因素進行了研究，發現低聲壓、較低聲壓幅值和不可壓縮氣體含量較大時，空化效果較好[19]。王智勇運用FLUENT軟件對文丘里管的空化效果和影響因素進行了研究[20]。張艾萍等通過實驗分析了不同管型在不同溫度、入口速度時，超聲波在20kHz下的傳播特性，數值計算了管道內某一點的空化情況[21，22]。

綜上，雖然諸多學者進行了超聲空化泡影響因素的理論分析和實驗研究[23]。但是，超聲空化泡并不能完全表示超聲波在實際工業應用中的空化效果[24]。而對于強化換熱管整體空化效果的研究則更少。因此筆者主要從工業實際應用著手，利用FLUENT商業軟件通過數值模擬計算，得出實際應用中超聲波在強化換熱管道中產生的空化效果，通過不同管道位置的汽含率的不同，來反映實際空化效果的優劣。

1 超聲空化數值計算

1.1 幾何模型的建立

筆者對圓管、橫紋管、波節管和波紋管采用二維物理模型進行了模擬計算。并在流體進入管道流動一段長度后加入超聲波，主要研究了超聲波入口后的2m范圍內的空化效果。圓管采用了25mm的管徑，其他管型的主要幾何參數如圖1所示，橫紋管的幾何參數為：φ1=25mm，φ2=21mm，L=30mm，R=5mm。波節管的幾何參數為：D1=19mm，D2=25mm，s1=8mm，s2=13mm，s=21mm。波紋管的幾何參數為：D=25mm，d=21mm，s=30mm。

a. 橫紋管

b. 波節管

c. 波紋管

1.2 數學模型的建立

動量方程：

(1)

連續性方程：

(2)

式中p——水的壓力；

T——溫度；

αv——蒸汽份額；

μm——混合流體的粘性系數；

ρm——混合流密度；

ρv——飽和蒸汽密度。

由Singhal A K等提出的空化模型[25]，其空泡動力學方程為：

(3)

(4)

(5)

式中Ce——模型系數；

fv——飽和蒸汽的質量分數；

fg——空氣的質量分數；

k——湍動能；

pv——飽和蒸汽壓力；

S——表面張力系數；

ρl——水的密度。

1.3 模型的引入與初始條件的設置

筆者采用了文獻[21]中的模型，在研究管道流動狀態時，選擇了標準的k-ε模型，近壁處理選擇標準壁面函數。由于在空化作用下，液態水會在超聲波的作用下產生空化泡，因此選用Mixture模型，并加入全空化模型以滿足數值計算的需求。對于超聲波的加入，筆者采用壓力波進行描述[26]，并通過UDF(User-Defined Function)引入FLUENT中。對于壓力和速度耦合選擇PISO格式，壓力離散方式采用PRESTO！方式，蒸汽離散模式采用Quick模式，其他模式均采用二階迎風方式，以提高計算精度。

在筆者采用的模型中，選擇水為流體介質，空化壓力為20℃飽和蒸汽壓力2 367.8Pa。對不同的管型分別在20、25、30、35、40、45kHz的超聲波頻率下，分別采用0.250、0.200、0.167、0.143、0.125、0.111μs的步長迭代300步，即每種頻率都迭代150個周期進行數值計算。

2 計算結果分析

2.1 超聲波頻率對空化效應的影響

筆者通過分析超聲波入口后2m范圍內的汽含率隨管道位置的變化趨勢，得出超聲波頻率對空化效果的影響規律。

其中不同超聲波頻率下圓管、橫紋管、波紋管和波節管中汽含率隨管道的位置的變化規律如圖2所示。

圖2 汽含率隨管道位置的變化規律

從圖2a、c、d中可以看出，對于圓管、波紋管和波節管，在超聲頻率為20kHz時汽含率最大，45kHz時汽含率最小。通過觀察圖2b可以看出，對于橫紋管，當超聲波頻率從20kHz升高到25kHz時，汽含率變化并不明顯，而若不斷升高超聲波頻率至45kHz，則汽含率不斷下降。這主要是因為隨著超聲頻率的升高，超聲波的振動周期逐漸縮短，由于過快的周期性變化，膨脹相的時間逐漸變短，空化核來不及增長到可產生空化泡，與此同時，壓縮相時間的縮短，也無法讓空化泡潰滅。最終導致了空化效果較差。

對于同一個管道類型，在超聲波入口處，由于過高的聲壓使得水不容易產生空化效果，同時汽泡在過高的聲壓下亦會破裂潰滅，故而使得超聲波頻率和不同管道結構對空化效果的影響微弱。因此，在超聲波入口處，管道內的汽含率并不是很理想。

隨著管道位置遠離超聲波入口，管內的汽含率都呈上升趨勢，這主要由兩方面原因引起：一是在傳播過程中，超聲波不斷地衰減，即聲壓不斷降低，致使壓力小于水的飽和壓力，故水汽化為水蒸氣形成汽化泡，因此汽含率會不斷增加；二是由于超聲波的熱效應，超聲波在管道的傳播過程中，空化泡破裂釋放出來的能量轉化為了流體的熱量，促使水溫升高，空化效果增強。

隨著管道的增長直至管道出口處，管內的聲壓繼續變小，此時聲壓的減小使得管內汽泡的生成與潰滅幾乎保持在了一個平衡狀態，空化泡的數量變化微弱。這主要是由于聲壓的降低讓空化泡并不能破裂潰滅，而是隨著聲波在振動。

2.2 換熱管型對超聲空化效果的影響

在超聲波的傳播過程中，不同的換熱管道的幾何結構同樣會對超聲空化產生一定的影響。筆者通過對比同一超聲波頻率下不同換熱管道內的汽含率的變化，分析了幾何結構對超聲空化效果的影響(圖3、4)。從上文可知，除橫紋管在20～25kHz范圍內時空化效果最佳外，其余3種管型均在20kHz時空化效果最佳。在綜合考慮后，研究了超聲波頻率為20kHz時不同管型對空化效果的影響規律。

圖3 局部管道的壓力分布

圖4 相同頻率下不同管道的汽含率

從圖3a、4a可以看出，在圓管管徑不變化條件下，管內的汽含率為一個逐漸上升的直線，在這個過程中，聲壓的傳播過程受到了管道沿程阻力的影響而減小，即超聲波傳播是衰減過程。聲壓逐漸減小和超聲波的能量損失傳遞給水，導致空化效果越來越好。

而圖3b、4b、3c、4c、3d、4d中的橫紋管、波紋管、波節管的管徑在不斷變化，管內汽含率的變化各不相同。根據熱力學定律，流體在變化的空間中流動時，壓力會隨著空間的大小而變化。圖3b、4b中的橫紋管，當管徑變小時聲壓減弱，并且管道內結構的變化形成了局部空穴，使汽化核心更容易形成，逐漸形成空化泡，最終空化效果變強。而隨著管徑的增加，聲壓恢復到原有狀態，已生成的汽泡被大量壓迫潰滅，空化泡的潰滅產生高溫區，溫度的升高又使空化泡變得容易生成，故而此時的汽含率較原來略高。

從圖3c、4c中可以看出，汽含率和聲壓的分布呈交替性變化過程。主要因為管徑始終在變化，這樣超聲波的傳播比較復雜，其中的聲壓在較短的一段管道內呈周期性增加、減弱。而當聲壓的膨脹相與管徑的變小一致時，更容易空化效果的產生。而隨后的壓縮相以及管道機構本身的擴壓迫使大量空化泡潰滅，故而汽含率突降。

圖3d、4d中的波節管恰與圖3b、4b中的橫紋管變化相反。波紋管管徑突然增大的過程中，聲壓快速增加，大量空化泡被壓破潰滅，而空化泡的破裂又會使得局部溫度升高，故而在汽含率降低過程中又會有局部的升高。但是這種效應的變化是極快的，故而汽含率仍顯示為一種下降的趨勢。隨后的管徑增大促使空化核再次形成。而管道聲壓的變動亦會造成能量的損失，促使溫度升高，聲壓逐漸減小，故而汽含率逐步增加，且并不十分規律。

3 結論

3.1超聲波頻率對空化效果有明顯的影響。圓管、波紋管和波節管的最佳超聲空化頻率為20kHz。橫紋管的最佳超聲空化頻率為20～25kHz。

3.2不同管道的幾何類型也會對超聲空化效果產生一定的影響。橫紋管更有利于空化效果的產生，其次是波紋管和圓管，波節管最不利于超聲空化的產生。

3.3主要研究了超聲波入口后2m范圍內的超聲頻率和不同類型的強化換熱管型對超聲空化效果的影響。由于橫紋管利于超聲空化效果的產生，并且其最佳的超聲波頻率范圍也較其他管道類型大一些，故而在選擇超聲波除垢時，若其他條件相同，選用橫紋管空化除垢效果最佳。

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InfluencesofUltrasonicFrequencyandTubeTypesonUltrasonicCavitationEffect

ZHANG Ai-ping, YANG Zhao, XIA Rong-tao, DING Quan, ZHANG Yuan-yuan

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

FLUENT software was adopted to simulate cavitation effect of various heat exchange tubes at different frequencies. Comparing the vapor volume fraction of heat exchange tubes and analyzing cavitation effects show that, the circular tube, and bellows tube and corrugated pipe have optimum cavitation effect when ultrasonic frequency stays at 20kHz, so does the transversally-corrugated tube at the ultrasonic frequency from 20kHz to 25kHz. For the different heat exchange tubes, the geometric structure of the transversally-corrugated tube can benefit cavitation occurrence, then comes to the bellows tube and circular pipe in turn, the corrugated pipe goes against the generation of cavitation.

heat exchange tube, ultrasonic frequency, ultrasonic cavitation, numerical simulation

*國家自然科學基金項目(51476025)，東北電力大學博士科研啟動基金項目(BSJXM-201207)。

** 張艾萍，男，1968年2月生，教授。吉林省吉林市，132012。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)04-0517-06

2015-03-23)