彎曲文丘里環隙型水力空化發生器的特性

曾志杰，馬雨航，白立新,*

(1.中國科學院聲學研究所，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049)

根據國際標準化組織(ISO)下的微細氣泡技術委員會(ISO/TC281)的定義，微細氣泡(fine bubble)即液體中直徑<100 μm的氣泡。微細氣泡用途已經非常廣泛，并仍在不斷拓展應用領域，目前已在漁業水體增氧[1-2]、懸浮顆粒物的氣浮去除[3-4]、微藻細胞的采收[5-6]、有機物降解進行廢水處理[7-8]、給水消毒[9-10]、地下水修復[11-12]、促進植物生長[13-14]、脫脂清洗[15-16]、船舶的微泡減阻[17-18]等方向均有成熟的應用。

微細氣泡的產生方式有很多種，空化是其中較重要的一種產泡方式。空化是指當液體的壓強下降到足夠低時液體中空泡的生成及其后續的動力學行為[19]。空泡是一種存在徑向振動或表面波動的、泡與泡之間存在強烈相互作用的、一直處于動態變化中，且具有高度活性的氣泡，在其內部可能產生高溫高壓，在其周圍的液體中可能產生沖擊波、微射流、微聲流[20]。因此，相較于其他的微細氣泡產生方式，其正面或負面的效應也更為強烈，如空化可用于清洗、乳化、漂白、結晶、納米顆粒合成、細胞粉碎、過程強化、超聲萃取、超聲碎石、晶粒細化，噴丸硬化和廢水處理、射流切割等；另一方面，空化也會對水工建筑和水力機械造成空蝕、產生振動、發出噪聲[19]。

產生空化主要有2種方式：通過壓電效應或磁致伸縮效應由振動產生的空化，稱之為聲空化；通過高速水流產生的空化，稱之為水力空化。通常超聲空化的空泡潰滅得更為猛烈，在實驗室內各方面的表現均很好，但在工業應用層面卻面臨著成本和能耗較高、經濟性差、處理量較小、難以工業放大等問題；而水力空化的空化強度稍遜于超聲空化，但因其具有處理量大、成本低廉、易于工業放大等優點而具備更好的工業應用前景[21]。

水力空化發生器的種類很多，其中常見的有文丘里管、孔板、簧片哨等，近些年也出現了許多基于傳統水力空化發生器的變體。例如，孔板和文丘里管復合在一起[22-23]、孔板和簧片哨復合在一起[24]、基于文丘里原理的環隙型水力空化發生器[25-27]、基于彎頭空化原理的圓板薄層空化發生器[28-31]。追求低能耗、大流量、高空化效率，且少堵塞和易維護是水力空化器的目標，為此，本文嘗試提出了一種兼具文丘里、彎頭、反弧、環隙特征的新型水力空化發生器，并借助高速攝影技術，對這種水力空化發生器的空化特性進行了試驗研究。

1 彎曲文丘里環隙型水力空化發生器的設計

常見的文丘里管空化發生器是由一個漸縮段和一個漸擴段組成。當流動截面積在漸縮段逐漸減小時，根據伯努利方程，壓力能轉化為流體動能，流體的速度增加，壓力減小，在截面積最小的喉部區域流速達到最大，壓力達到最小，如果此時壓力低于空化閾值，則流體會發生空化，空泡隨著流體進入漸擴段，并在漸擴段壓力增大時潰滅，如圖1(a)所示。在管道流動中，彎頭也容易發生空化，因為此處流體運動速度的方向發生改變，在流體轉彎的內側形成低壓區，如果此處壓力低于空化閾值，則流體會發生空化，如圖1(b)所示。此外，在泄洪洞中，反弧段末端也容易發生空化，因為此處流體的離心力發生改變，壓力突然降低，如果此處壓力低于空化閾值，則流體也會發生空化，如圖1(c)所示。基于以上幾點，嘗試將這3種容易發生空化的流動特征整合在一起，設計了一種新的流動形式，以實現強化水力空化的目的，如圖2(a1)所示。

圖1 易發生流體空化的幾種工況Fig.1 Flow Structures Prone to Cavitation

圖2(a1)為這種結構的二維示意圖。由圖2(a1)可知：這是一種彎曲的文丘里結構，截面積有漸縮和漸擴特征；同時，流體流動方向發生了改變，具有彎頭特征；此外，流體在經過喉部區域獲得高速度后還通過了一個彎道外側反弧段，因此，這種結構兼具3種空化的特征。如果簡單地將常規的圓柱狀文丘里管彎折，由于管流的非對稱性，只在軸切平面才符合這種特征，其他區域受壁面效應影響，效果會大打折扣。因此，采取2種方案實現這種流動形式。(1)嘗試將圖2(a1)的二維圖形沿著Z1軸旋轉成三維結構，如圖2(b1)和圖2(b2)所示。這種空化器的上部分與文丘里管相似，是一個漸縮的圓管；而下半部分是一個漸擴的圓盤薄層結構。這種空化器的上部可以連接圓管和水泵，與水泵連接；下半部分可以從圓盤外周的側面引出幾根圓管，然后匯流到一個螺紋圓管，以實現管道連接，或者直接置于一個水域中。文獻[28-31]所用的水力空化發生器為圖2(b3)結構，僅僅是一個二維彎頭結構的旋轉體，并沒有漸縮漸擴的文丘里特征。(2)嘗試將圖2(a1)的二維圖形沿著Z2軸旋轉成三維結構，如圖2(c1)和圖2(c2)所示。這種空化器的上部分是一個漸縮的環隙流；而下半部分是一個流動方向發生改變的漸擴的圓盤薄層流體對沖結構。這種空化器的上部分可以鏈接圓管，與水泵連接；下部分也可以連接圓管，方便實現管道連接。文獻[25-27]所用的水力空化發生器為圖2(c3)結構，僅是一個二維直文丘里結構的旋轉體，并沒有流體方向改變的彎頭特征和反弧段空化特征。因此，本文所提出的2種新型彎曲文丘里環隙型水力空化發生器[圖2(b1)、圖2(b2)和圖2(c1)、圖2(c2)]優于前人的設計，可以很好地整合前述3種易發生空化的流動特征[32]。

圖2 彎曲文丘里結構Fig.2 Structures of Curved Venturi

2 彎曲文丘里環隙型水力空化發生器內的空化云

為了研究彎曲文丘里環隙型水力空化發生器(簡稱發生器)內的空化云，采用準二維薄層流道結構，如圖2(a2)、圖2(a3)所示。薄層流道結構由有機玻璃板制成，厚度為5 mm，流道直管段寬度為30 mm，流道喉部最窄處寬度為3 mm。這種薄層結構可以復現三維空化發生器內的空化狀態，同時可以有效避免空化云之間的相互遮擋，有利于進行高速攝影研究。

2.1 不同壓力下的空化云特征

圖3清晰地記錄發生器內不同壓力下的空化云特征。圖片是利用高速攝影機(Photron Fastcam SA-1, Photron Ltd., Japan)配合定焦鏡頭(LM50JCM, Kowa，Japan)，在透射的高亮LED燈(PI-LUMINOR 高亮LED燈，150 W)下，以幀率8 000 fps、曝光時間1/59 300 s的設置完成拍攝的。由于透射光被生成的空泡反射，沒有進入高速攝影機，相較于其他沒有空泡或較少空泡產生的區域，空泡區域的像素會較暗，空泡越密集的區域，黑色像素越密集。如圖3所示，在流體高速地通過喉部(即發生器最窄的3 mm處)時，會生成空化云，空泡云間歇地被流體裹挾前進。0.06 MPa是發生器空化初生的壓力閾值，低于這個壓力發生器不會觀察到空泡生成。圖3(a)是空化初生的空化云，空化云面積相對較小，會間接性出現，隨著流體前進，先前的小空化云會逐步潰滅。當壓力增加至0.08 MPa時，能夠看到發生器內的空化云數量增加，如圖3(b)所示。當壓力增加至0.10 MPa時，能看到空化云變大，空化器尾部能看到空化云隨著旋渦擴散后，流體中分布大量的氣泡正沖出發生器，如圖3(c)所示。隨著壓力不斷上升，圖像中的黑色像塊越來越大，空泡越來越密集，空化云仍是間接性出現，伴隨著旋渦前行，如圖3(d～i)所示。當壓力增加至0.40 MPa、發生器內的空化云面積最大時，可以占據整個發生器，達到明顯的氣液兩相共存狀態。圖4給出了試驗測得的喉部流速和入口壓力。

圖3 不同壓力下的空化云Fig.3 Cavitation Clouds under Different Pressures

圖4 入口壓力隨喉部速度的變化Fig.4 Variation of Inlet Pressure with Throat Velocity

2.2 附著型空化

將附著在壁面的空化稱作附著空化，圖5記錄的是發生器喉部區域的附著空化云，壓力為0.2 MPa。圖像是由高速攝影機配合長焦微距鏡頭(Zoom 6000，Navitar，USA；LM50JCM，Kowa，Japan)在閃光燈(HYLOW xenon flash lamp，大黑鯊I600)下，以幀率8 000 fps、曝光時間1/2 700 000 s的設置完成拍攝的。拍攝時由于利用閃光燈的反射而非透射，空化云區域內會反射閃光燈，較多的光線進入高速攝影機，使得較多空泡的區域圖像亮度值較高；沒有或少量空泡存在的液體區域會透射閃光燈光線，較少的光線進入高速攝影機，使得空化云稀疏區域的像素點亮度較暗。由于喉部區域是發生器最窄的位置，也是流道漸漸擴寬的初始位置，在這個位置的流體速度變化最為劇烈，其速度相較于流道的其他地方來說是最大的，也是整個流道壓力的最低點，是整個全部空化云的起源地。如圖5(a)實線框所示，空泡在喉部位置貼壁生成，是正在生長的附著空化云；虛線框的空化云是上一個附著空化云脫落之后的狀態。隨著時間向前推移，虛線框標記的空化云移出視野，實線虛框內的空化云逐步成長，如圖5(b～e)所示。最后，實線框內的附著空化云也會像虛線框內的空化云那樣脫落，如圖5(f～h)所示。

圖5 喉部附著空化云Fig.5 Attached Cavitation at Throat

2.3 旋渦空化云

試驗中注意到，空泡會伴隨旋渦運動，如圖6所示。圖6為高速攝影機在高亮LED燈光源反射條件下拍攝的，拍攝時入口壓力為0.2 MPa。圖6(a)是在幀率為500 fps、曝光時間為1/500 s的設置下完成；圖6(b)是在幀率為8 000 fps、曝光時間為1/2 700 000 s設置下完成。空泡在流道最窄處產生，逐步向著流道漸漸擴張的位置流動，并伴隨著旋渦，如圖6(a)方框所示。為了看清楚其細節，將高速攝影機對準流道某一位置，觀察旋渦的具體細節。如圖6(b)所示，逆時針旋轉的旋渦攜帶著喉部壁面產生脫落后的空化云前行。旋渦由附著空化云脫落時流體剪切產生，這個旋渦的形態一直保持到發生器下游并逐漸增大。

圖6 旋渦空化云Fig.6 Vortex-Ring Cavitation Cloud

3 結論

本文嘗試將文丘里、彎頭、反弧這3種容易發生空化的流動特征整合在一起，設計了一種新的流動形式，并基于此提出了2種水力空化發生器的設計，并采用準二維薄層流道結構對這種流動形式的空化特性進行了高速攝影試驗研究。研究發現，這種結構可以在較低的壓力下發生空化，且空化云的空間占比較高；空化云以喉部附著空化為源頭，表現出強烈的剪切和旋渦特征；空泡的空間分布呈現脈動式窩狀結構。結果表明，這是一種具有潛在優勢的水力空化發生裝置。