強化換熱管內超聲空化影響因素的數值研究*

張艾萍 楊 釗 夏榮濤 丁 權 張媛媛 何 瑩

(東北電力大學能源與動力工程學院)

強化換熱管內超聲空化影響因素的數值研究*

張艾萍*楊 釗 夏榮濤 丁 權 張媛媛 何 瑩

(東北電力大學能源與動力工程學院)

利用FLUENT軟件對超聲波空化效應的影響因素進行了數值模擬。采用二維管道，對比研究了不同長度處的聲壓及其汽含率后，得出結論：頻率20kHz的超聲波對圓管能夠作用的最大長度在4.0～5.0m之間，最佳的空化長度為4.0m，當超過4.0m時由于超聲波衰減嚴重，空化效果變差；當聲強不斷增大時，管內整體的汽含率卻越來越小，此時的空化效果會變差。對于不同的管道類型，由于橫紋管的幾何結構更容易汽泡的產生，故而其超聲空化效果也最佳。

強化換熱管 數值模擬 汽含率 超聲空化 傳播特性 超聲聲強

當今工業發展過程中，節能減排越來越受到人們的重視，而在現代工業中廣泛使用的各類強化換熱管道中都存在嚴重的結垢問題，造成了能源的浪費。超聲波防、除垢方法，做為一種安全、高效、無污染的除垢方法，受到了多行業的青睞。超聲波空化除垢方法主要是利用了超聲空化泡周期性的生成和破裂，在空化泡破裂時產生能量極高的沖擊波，松動了強化換熱管道上的沉積物，對換熱面沉積污垢起到了剝蝕的作用，從而達到了超聲波除垢的效果。

近些年來，國內外學者對超聲波空化效應的研究越來越深入。李英等論述了超聲波在石油化工中的應用及研究進展，介紹了超聲波在石油化工行業中防、除垢的應用[1]。楊慶研究了空化泡形成的機理及其影響因素[2]。陳賢志研究了超聲波傳播性能以及在含垢水介質中的衰減[3]。張艾萍等研究了超聲空化對場協同的影響，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[4]。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于單個空化泡的影響，低頻率高功率對于超聲空泡的產生比較有利；流粘度越小、不可壓縮氣體含量越高，空化效果越好[5～8]。劉秀梅等研究發現了不同表面張力、頻率、氣泡初始半徑、環境壓力對單個空化泡運動的影響[9]。隨后Mzaue G等在船舶超聲波除垢設備的研制中發現，超聲波的不同頻率對于船體外表的除垢效果不同，較低超聲頻率更有利于除垢效率的提高[10]。Doosti M R和Kargar R研究了超聲波對水的處理方法，發現超聲波在對水進行處理時，可以有效減少水中混濁懸垂顆粒、藻類并具有殺菌消毒的作用[11]。Koch C和Juschk M建立了空化模型并定量分析了超聲波在容器除垢方面的影響因素[12,13]，結果表明，超聲波頻率，超聲波換能器的電壓以及流體溫度，對超聲空化具有一定的影響。劉振和王麗玲研究了超聲波對碳酸鈣污垢的影響，得出影響超聲波除垢效果不僅有其自身的頻率、強度等因素，還與溶液的種類、溫度、濃度、pH等有關的結論，為了達到更好的超聲波除垢效果，還需根據具體情況，確定超聲波的參數[14]。雖然對超聲波空化研究逐漸深入，但是諸多學者都只是研究了單個空化泡或者雙泡的運動規律，而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[15]。

筆者主要從實際工業應用入手，對管道整體的空化效果進行了研究，計算研究了不同強化換熱管在不同長度條件下，超聲波空化效應宏觀效果的優劣，以及管道結構和超聲聲強對超聲空化的影響。為超聲空化防、除垢在工業上進一步應用提供了理論依據。

1 超聲空化數值計算

1.1幾何模型

筆者對二維管道的物理模型進行了數值模擬，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至管道出口范圍內的空化效果。采用了管徑25mm的圓管，其幾何模型在坐標軸中為-5.05m到5.00m，總長度共計10.05m，其中超聲波入口為管道入口后0.05m處。在計算過程中筆者同時監測了超聲波入口處(-4.99m)以及其后每隔0.5m處的聲壓。

1.2數學模型

由Singhal A K等提出的空化模型其空泡動力學方程為[16]：

(1)

(2)

pc′=pv+0.39ρk

(3)

式中Cc、Ce——模型系數；

k——湍動能；

pc——飽和蒸汽壓力；

S——表面張力系數；

ρl——水的密度。

連續性方程:

(4)

動量方程：

(5)

式中ρm——混合流密度；

ρv——蒸汽密度；

vdrv——氣相漂移速度；

αc——蒸汽份額；

μm——混合流體的粘性系數。

1.3模型建立與初始條件設置

筆者采用了文獻[17]中的模型，在研究管道的流動狀態時選擇了標準的k-e模型，近壁處理選擇標準壁面函數 (Standard Wall Functions)。且由于在空化條件下，液態水會在超聲波的作用下產生空化泡，因此選用了Mixture模型，并且加入全空化模型(Full Cavitation Model)以滿足數值計算的需求。采用壓力波描述超聲波的加入[18]，并通過UDF(User-Defined Function)引入FLUENT之中。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。

在模型中對10m長的管道進行了數值計算，每隔0.5m設置一個監視點，對其聲壓以及汽含率進行監控。同時也對超聲波入口處進行了監測，以了解超聲波的衰減情況。筆者選擇了工業中常用流體水作為換熱介質，并選擇其在20℃時的飽和蒸汽壓力(2 367.8Pa)作為空化壓力。超聲波頻率采用已知的最佳超聲空化頻率20kHz，計算步長為2.5×10-5s，計算迭代900步。

2 計算結果分析

2.1傳播距離對超聲空化的影響

分別在有無超聲波的條件下，對10.05m的圓管進行了數值計算。得出了超聲波在其傳播過程中的衰減情況以及由于衰減對空化效果的影響。在對超聲波入口處以及其后每0.5m處的監測點進行了數據分析后發現，管道在5.0m處，由于超聲波的衰減幾乎不再對空化效果有影響。為了更準確地表征管道長度對超聲波空化的影響效果，采用了充分發展之后的一段數據，即采用了計算300～600步之間的數據。由于選用的監測點比較多，選擇了超聲波入口(0.06m)、1.0m、2.0m、3.0m、5.0m處的聲壓圖像及其對應的汽含率的變化圖像。

圖1為模型中各點的聲壓變化以及其汽含率的變化。超聲波入口處，聲壓以及汽含率的變化都比較劇烈，隨著位置的向后移動，超聲波也隨之衰減，各點的聲壓變化開始減弱。

a. 超聲波入口處(0.06m)

b. 管道1.0m處

c. 管道2.0m處

d. 管道3.0m處

e. 管道4.0m處

f. 管道5.0m處

超聲波在管道內傳播過程中衰減的影響因素主要有以下幾點：第一，由于超聲波傳播過程中，聲束界面的逐漸擴大而引起的衰減；第二，由于存在熱交換而導致的超聲波熱效應的熱傳導和豫馳吸收；第三，由于空化泡的存在而產生的散射衰減；第四，由于傳播介質的粘性導致的粘滯性衰減。在這一系列因素的作用下，超聲波逐漸衰減直至消失。

運用同樣的幾何和數學模型，在不加超聲波的情況下，對圓形管道進行了數值計算。其計算結果與有超聲波的對比結果如圖2所示，可以看出，在5.0m處加超聲波與不加超聲波的壓力幾乎重合。從而可以判斷在此處超聲波的作用已經幾乎不存在。因此在運用超聲空化防、除垢時，應該在超聲波入口后5.0m處或之前重新安裝換能器，以增加超聲波強度。從圖1e中可以看出，在4.0m處超聲波的衰減已經非常明顯。此時超聲波的作用開始明顯減弱，空化效果也開始減弱。由于此時的聲壓和汽含率的變化都比較微弱，其對于超聲空戶防、除垢的作用效果也會變差，因此，換熱器內的強化換熱管道應盡量選擇4.0m以下。

圖2 有無超聲波的壓力對比

2.2超聲波聲強對空化效果的影響

通過改變不同的聲強即改變不同的聲壓幅值，對超聲波聲強進行了數值模擬，從而得到聲強對超聲空化的影響。超聲波聲強與聲壓幅值之間的關系如下：

(6)

式中c——超聲波在水中的傳播速度，c=1 500m/s；

I——超聲波聲強；

P——聲壓幅值；

ρ——流體介質密度，ρ=1 000kg/m3。

筆者在研究不同超聲波聲強對空化效果的影響時，選擇了超聲波入口后0.5m處的一點(既考慮了取點不在超聲波入口，又要保證在超聲波衰減比較小的位置)，在改變不同的聲強(1、5、15、25、35W/cm2)后通過計算得出：隨著聲強的增大，管內的汽含率不但沒有增加反而減小，汽含率的大小反映了空泡的數量，這說明聲強增大時，空化泡的數量會減少。同時可以發現，汽含率的變化周期會變短，也說明聲強變大時，空化泡的運動變得劇烈。因此，并不是聲強越高越有利于空化，在選擇空化除垢時，應在滿足空化除垢的條件下，合理選擇聲強，以達到防、除垢和節能的效果。

2.3強化換熱管型對空化效果的影響

2.3.1空化泡的形成機理

研究發現，壁面上的凹槽、細小裂紋、裂穴等最容易成為汽化核心。這是由于：首先，在狹縫之中的液體受熱比較多；其次，在這些狹縫之中容易殘留不可壓縮性氣體，這種殘留氣體自然就成為了產生汽泡的核心。而當在強化換熱管道內加入超聲波之后，由于在狹縫之中形成反射，超聲波的一些能量會轉化為液體的熱能和動能，降低了空化閾值從而使這些本來就容易形成汽泡的位置獲得了更高的能量，汽泡在狹縫中更容易形成，最終增強了空化效果。

2.3.2強化換熱管管型對空化的影響分析

分別對3.0m長的圓管、波紋管和橫紋管進行了數值分析，橫紋管、波紋管的具體參數如圖3所示。在對3種管道進行了數值計算之后，其相應的汽含率積分數如圖4所示。

從圖4中可以看出，橫紋管的汽含率最大，空化效果最佳。橫紋管在管徑變化之處其汽含率會有所增加，橫紋管中圓管與橫紋連接處其汽含率要比其他管道類型的同一位置略高。這主要是由于橫紋管的結構中，有類似于狹縫的區域(圖5)，故而更容易形成汽化核心，加入超聲波之后加速了汽化核心的生長，形成空化泡。而波紋管管道結構為不斷擴張和收縮管徑，超聲波在其中傳播過程時衰減比較嚴重，加之管徑周期性的擴壓以及超聲波振動過程中收縮相和膨脹相的周期性變化，即便生成空化泡也極容易在聲壓作用下破裂。而當壓縮相與管道擴壓重合之處，過大的壓力既抑制了空化泡的生成、汽化核心的發展，又使已生成的空化泡潰滅消失，最終導致了空化效果變差。

圖3 管道幾何參數

圖4 3.0m長不同換熱管的汽含率積分數

圖5 橫紋管的局部放大圖

3 結論

3.1超聲波在換熱管內傳播過程中由于諸多因素導致不同程度的衰減，超聲空化作用也受到了影響。對于超聲空化除垢的換熱管，超聲波能夠作用的最大長度在4.0～5.0m范圍之內。最佳的空化長度為4.0m。在選用換熱管道時應小于4.0m，或者應在管道中加超聲波換能器，以滿足防、除垢效果。

3.2隨著聲強的增加，汽含率變小，空化效果變差，而同時汽含率運動周期變短，空化運動劇烈。因此在使用超聲波除垢時,聲強的選擇并不是越大越好。筆者選擇15W/cm2的聲強對于空化除垢更為有利。

3.3在橫紋管內使用超聲波除垢時，其空化效果更佳，因此在滿足換熱需求的條件下，應用了超聲波除垢的換熱器，應選擇橫紋管作為換熱管道。

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NumericalSimulationofUltrasonicCavitationInfluenceFactorsinEnhancedHeatTransferTube

ZHANG Ai-ping, YANG Zhao, XIA Rong-tao, DING Quan, ZHANG Yuan-yuan, HE Ying
(CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

Through making use of FLUENT software, the ultrasonic cavitation influence factors were simulated; and having two-dimensional pipe adopted to study both sound pressure and mass quality at different lengths were implemented to show that the maximum length of the circular tube effected by 20kHz ultrasonic wave stays between 4.0～5.0m and optimal cavitation length is 4.0m; and when 4.0m is exceeded, the serious ultrasonic attenuation can be seen together with poor cavitation effect; and the increasing sound intensity

* 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)02-0208-07

2015-06-26，

2015-07-15)

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