新型文丘里微氣泡發生器性能分析

＊譚啟航

（大連理工大學化工學院 遼寧 116024）

引言

液相工質中的微氣泡具有比表面積大、上升速度慢、自身增壓溶解等特點，氣泡在破裂過程中會產生大量自由基，具有強大的吸附去污效果，在凈水、礦物浮選、去除熔融鹽反應器中的有害氣體、去除芯片光刻膠等方面發揮重要作用。在工業應用中，氣泡破碎的程度越大，產生的氣泡越小或者數量越多，產生的微氣泡所具有的凈化效果也就越好[1]。比如在水產品養殖過程中，向水中輸送氧氣，當氧氣泡直徑越小時，氣泡所產生的比表面積越大，越有利于氣體的交換，也就越有利于水產品的生長。因此在微氣泡發生器的研究中，減小裝置產生微氣泡的直徑，不斷提高氣泡的破碎性能一直是對微氣泡發生器最主要的研究內容。

微氣泡發生器的種類多種多樣，按氣泡產生的位置大致可以分為內部氣泡發生器（包括過濾式氣泡發生器[2]、電解式氣泡發生器[3]、文丘里式氣泡發生器等）和外部氣泡發生器（包括噴霧式氣泡發生器[4]、旋流攪拌氣泡發生器[5]等）。相關微氣泡發生器的研究中，文丘里式微氣泡發生器因為其結構簡單，能量損失小等特點，一直是研究的熱點。

國內外學者對文丘里式微氣泡發生器進行了大量研究。劉建朝[6]對兩種型式的文丘里式氣泡發生器進行了數值模擬，通過使用不同湍流模型對兩種型式氣泡發生器進行三維模擬，發現三種湍流模型對內部流場的影響較小。Soubiran等[7]觀察到了氣泡在文丘里管內有明顯的減速現象，但并未對其形成原因進行深入探究。Fujiwara[8]利用數值模擬的方法，對氣泡在文丘里管內的具體變化情況進行了具體研究，發現主要破碎位置在擴張段。韓月陽等[9]通過數值模擬的方法，對氣泡發生器進行了三維建模和網格劃分，對氣泡發生器內的流動特性進行了分析，發現氣泡在氣泡發生器碎化的原因主要受在擴張段壓力的驟升、擴張段內的局部渦流和湍動能的影響。邵梓一[10]指出文丘里管內的壓力梯度作用是氣泡破碎的主要原因，為優化文丘里微氣泡發生器性能研究擴寬了思路。

強化文丘里管內壓力梯度作用，實現高性能的微氣泡發生器一直是該領域現階段的研究熱點。項目組通過借鑒維多辛斯基立方曲線（維氏曲線）型對壓力梯度的影響，研究了一種新型文丘里微氣泡發生器——維氏曲線型文丘里微氣泡發生器[11-12]。本文對維氏曲線型文丘里微氣泡發生器的性能進行了研究，并與傳統文丘里微氣泡發生器[13]做對比，分析了該新型文丘里微氣泡發生器內壓力梯度的變化情況，以及強化壓力梯度后對微氣泡破碎作用的影響。

本文提出的新型文丘里微氣泡發生器，能夠有效強化文丘里管破碎氣泡的性能，擴寬文丘里微氣泡發生器結構優化的研究思路，同時該研究內容在促進微氣泡發生器在工業中的廣泛應用方面起到了積極作用。

1.數值計算方法

(1)控制方程

文丘里微氣泡發生器內的控制方程包括連續性方程和伯努利方程[14-16]。

連續性方程：

式中，ρPm為混合相密度，kg/m3;

t為時間，s；

式中，k為代表相；

ρ i為第i相的密度，kg/m3；

α i為第i 相的體積分數；

vi為第i相的速度，m/s。

伯努利方程：

式中，Pm為混合相某點的壓強，MPa；

ρ m為混合相密度，kg/m3；

v m為混合相的平均速度，m/s；

g為重力加速度，m/s2；

h為高度，m；

C為常數。

(2)數值模型

因為維氏曲線型文丘里微氣泡發生器結構高度對稱，所以可以采用如圖1所示的二維模型進行分析。計算域采用結構化網格劃分。入口邊界條件采用速度入口，設置初值為1m/s；出口邊界條件設置為壓力出口，壓力大小為1bar。湍流模型采用RNG k-ε湍流模型，多相流模型采用VOF模型，并且考慮相間作用力。壓力和動量分別采用PRESTO！格式和二階迎風格式離散。

2.計算結果與分析

(1)壓力梯度分析

根據參考文獻[8]中計算過程，設置入口進水速度為1m/s，待流場運行基本穩定之后，對比分析兩種管內壓力梯度的分布情況，兩種文丘里管的管內壓力分布如圖2所示。

由圖2可知，維式曲線文丘里管內壓力梯度明顯大于傳統型的文丘里管內，從數值上看壓力梯度提高了50%左右，這說明維式曲線能夠有效強化文丘里管內的壓力梯度，這會對氣泡破碎起到可觀的積極作用。

(2)單氣泡運動分析

待單相水的流場穩定之后，在（10，0）位置patch一個粒徑為Φ6mm的氣泡，代表氣泡在進水口位置注入，設置重力方向為X軸負方向。追蹤觀察氣泡隨時間的破碎情況，得到的氣泡變化情況，見圖3。

可以看到，在位置a以下，氣泡在入口段平穩運動，只發生微小變形。氣泡在快速通過收縮段后，直接進入擴張段，由于此處壓力梯度變化較為劇烈，如位置b至c所示，氣泡在這一過程中發生較大的拉伸變形，形態逐漸向子彈外形演變，氣泡尾部開始快速凹陷，并在不斷向前移動的過程中沖破氣泡頭部，發生第一次破碎。在氣泡完全進入擴張段并向前運動時，值得注意的是，氣泡在軸向方向上完成第一次破碎后，在新型文丘里管的中后部的位置，如位置d所示，氣泡又發生了第二次破碎現象。

因此，通過維式曲線強化文丘里管內的壓力梯度后，可以發現在相同操作工況下，與標準文丘里管相同的是，文丘里管內的氣泡在壓力增大過程中發生一次破碎現象；而與標準文丘里管不同的是，維氏曲線型文丘里管會產生更加明顯的壓力先增大后減小的現象，并且在壓力減小過程中，發生二次破碎現象，證明維式曲線能夠強化微氣泡發生器對于氣泡的破碎能力。

(3)多氣泡運動分析

本節單相水流場計算穩定之后，在單氣泡初始位置的徑向方向上，patch多個相同大小的氣泡，研究維式曲線文丘里管在不同入口截面含氣率條件下的壓力梯度變化情況，并通過壓力梯度的變化情況分析了該文丘里管在含氣率升高時性能的變化情況。不同入口截面含氣率下管內壓力梯度分布云圖，如圖4。

由圖4可以看出，當入口截面含氣率達到11.4%時，文丘里管內的壓力梯度的等高線開始發生輕微變形，當含氣率超過17%時，管內的壓力梯度等高線變得十分紊亂。結合圖5所示的入口截面含氣率為17%時的氣泡運動和破碎情況，可以看出，多個氣泡在通過喉部之后，并沒有產生較好的破碎現象，主要發生聚合現象。而小部分破碎的氣泡附著在內壁附近，形成空化現象，影響流體流動，造成設備內部侵蝕，進而影響設備的正常工作。因此，想要保持維式曲線文丘里管良好的工作性能，需要將入口截面含氣率控制在11.4%以下。

3.結論

文丘里管內氣泡碎化的主要原因是來自管內的壓力梯度，為強化文丘里管內的壓力梯度，本文提出了一種維多辛斯基立方曲線型的文丘里微氣泡發生器。采用數值分析方法對維式曲線文丘里管內的氣泡破碎現象進行了性能分析，并與傳統的文丘里管進行對比，得到以下結果和結論：

（1）相比于傳統型的文丘里管，維式曲線能夠有效地強化文丘里管內的壓力梯度，將梯度差值提升50%左右。

（2）維式曲線文丘里微氣泡發生器的擴張段內，在壓力上升階段，氣泡發生一次破碎；在壓力減小階段，氣泡發生二次破碎，這是維式曲線能夠強化氣泡破碎的重要體現。

（3）當入口截面含氣率較高時，管內壓力梯度等高線開始變得紊亂，新型文丘里微氣泡發生器的氣泡破碎效果減弱。因此，為保證維式曲線文丘里微氣泡發生器維持良好的工作性能，需要將入口截面的含氣率控制在11.4%以內。