旋轉式空化射流發生器的數值模擬分析

＊張思琦 李福寶 霍英妲 王亞軍

（沈陽工業大學化工裝備學院 遼寧 111000）

空化現象是指流體在某一特定環境下流動時會形成空泡，從而破壞流體本身具有的流動連續性的現象?？张莸男纬捎袃煞N情況，一是液體蒸汽形成了空泡，夾雜在流體中，隨流體一起流動；二是當流體所受的壓力、溫度等發生變化時，也會有空泡從液體中分離出來[1]。空化發生過程就是空泡的產生、發展直至潰滅的過程[2]。

目前，有關研究人員對空化及內部流場數值模擬的研究有很多。李大尉等[3]基于FLUENT軟件對原始葉型和改良葉型空化器在不同轉速下的自然空化流場開展數值仿真計算。結果顯示，改良葉型空化器產生的空泡尺寸更大，產生的自然空化更強；改良葉型在葉根處產生的空化效應較強，而原始葉型在葉尖處產生的空化效應更強。田素根等[4]采用CFD技術對渦旋泵在不同轉角下的內部流場進行模擬，分析了不同工況下的泵內空化現象及其性能。結果表明保持渦旋泵排量不變，則泵的回轉半徑越大，其空化越嚴重。胡俊等[5]以不同頭型回轉體模型為研究對象，探究頭型和肩部連接方式對初生空化數及空腔形態的影響。通過選取圓形、錐形及橢圓形系列頭型的回轉體模型，在不同空化數的工況下，對不同頭部回轉頭部體空化流場進行數值模擬。結果顯示空化腔的長度和厚度隨空化數的減小而增大，頭型回轉體頭部長度越短，空化數對空腔長度和厚度的影響越為顯著。汪正陽等[6]為探究大型雙吸式離心泵的內流場空化特性，對某大型雙吸式離心泵內流場空化特性進行數值模擬。結果表明，利用CFD進行三維湍流數值模擬可有效反映出雙吸式離心泵內流場的空化特性，數值模擬結果與試驗結果較一致。于海濤等[7]利用FLUENT對雙腔室自激振蕩脈沖噴嘴進行空化射流數值模擬，分析腔長比、腔徑比的變化對空化射流流場的影響。結果表明：當諧振腔腔長比為0.77、腔徑比為2.6時，諧振腔內渦環結構對稱性好，軸向含氣率高，空化效果最好。綜上所述，對旋轉式空化射流發生器進行數值模擬是必要的。

本文基于FLUENT軟件，對旋轉式空化射流發生器進行了內部流場的數值模擬，并對模擬結果進行了分析。

1.數值模擬

為研究旋轉式空化射流發生器的空化效果，即最大含氣率，在使用FLUENT軟件時，需要對發生器進行模型建立、網格劃分和網格無關性驗證。

(1)模型建立與網格劃分

①模型建立

構建旋轉式空化射流發生器三維模型如圖1所示。其中，入口直徑D1=40mm、出口直徑D2=125mm、入口處葉片安放角β1=10°、出口處葉片安放角β2=20°、葉片包角φ=120°、葉片數z=5。

圖1 旋轉式空化射流發生器三維模型

②網格劃分

由于旋轉式空化射流發生器中葉輪是旋轉結構，故在進行網格劃分時需要對發生器的流體域以及旋轉區流體域同時提取，否則旋轉的葉輪將無法被定義。因結構化網格具有網格生成速度快、質量好、區域光滑且與實際模型更接近的優點，故本文采用結構化網格進行劃分，網格尺寸為1mm，劃分后約有40萬個網格，網格平均質量為9.152，網格質量較好，可進行模擬計算。圖2為流體域提取及網格劃分圖。

圖2 流體域提取及網格劃分

③網格無關性檢驗

本文在進行模擬的過程中，主要分析旋轉式空化射流發生器的空化性能，而液體的最大含氣率是空化性能最重要的影響因素，所以本文通過分析不同網格數量下，發生器內部最大含氣率的曲線圖，來對網格無關性進行驗證。圖3為不同網格數量下最大含氣率的曲線圖。

圖3 不同網格數量下最大含氣率曲線圖

由圖3可知，當劃分的網格數量在20萬～40萬之間時，隨著網格數量的增加，液體的最大含氣率增長速度較快。當網格數量達到40萬以后，可以發現，即使增加網格數量，液體的最大含氣率變化幅度也相對較小，網格數在40萬～60萬時，最大含氣率變化曲線相對平緩，故為了節省計算時間，最終采用40萬數量的網格。

2.模擬結果與分析

(1)含氣率分布云圖

當入口壓力選擇設定為0.6MPa，出口壓力設為101325Pa時，葉輪的含氣率分布云圖如圖4所示。由圖可知，最大含氣率在葉輪出口處葉片背部達到最大，最大含氣率為0.904，故旋轉式空化射流發生器空化發生的位置主要分布在入口處葉片的背面。

圖4 旋轉式空化射流發生器含氣率分布圖

(2)壓力分布云圖

圖5為旋轉式空化射流發生器壓力分布圖，從圖中可知，在流場內，負壓區主要發生在葉片背面中部位置，該區域最低壓力為-1.417×105Pa。同時，在葉輪出口邊緣處，也存在較大的負壓區。通過對比圖4和圖5，可知負壓區較大的位置和空化發生的位置基本相同。

圖5 旋轉式空化射流發生器壓力分布圖

(3)速度分布云圖

如圖6（a）（b）為旋轉式空化射流發生器內部流體的速度分布云圖。由圖可知，流體在葉輪中心處、葉片背面從中部到出口邊緣處的速度較小，最小速度發生在葉片背面中部以及出口貼近壁面處，最大速度發生在在葉片正面中部以及出口貼近壁面處，最大值為31.27m/s。而當液體流經兩葉片中間區域時，其速度開始減小，速度大小在4.169～10.423m/s之間。當液體從葉片正面運動到葉片背面時，流體速度在逐漸減小，且分界明顯。

圖6 速度分布云圖

如圖6（c）為腔內流體的相對速度分布云圖。由圖可知，在葉輪進口處位置出現負方向的相對速度，最大負相對速度可達15.812m/s。其原因是流體在葉輪內部流動過程中，葉片對流體會產生阻礙，故出現負的相對速度。隨著半徑的增大，流體流動區域逐漸增大，葉片對流體的阻力不斷減小，負相對速度逐漸減小。葉輪內部的相對速度分布由葉輪內徑向外徑由負到正變化，整體逐漸增大，其中最大相對速度大部分出現在靠近葉片正面位置以及葉輪外徑邊緣區域，大小為4.636m/s。

3.結論

（1）旋轉式空化射流發生器空化性能較好，最大含氣率在葉輪入口處葉片背部達到最大，最大含氣率為0.904，故旋轉式空化射流發生器空化發生的位置主要分布在入口處葉片的背面。此時的最大負壓為-1.417×105Pa，最大速度為31.27m/s。

（2）負壓區主要發生在葉片背面中部位置，該區域最低壓力為-1.417×105Pa。同時，在葉輪出口邊緣處，也存在較大的負壓區，負壓區較大的位置和空化發生的位置基本相同。

（3）流體在葉輪中心處、葉片背面從中部到出口邊緣處的速度較小，最小速度發生在葉片背面中部以及出口貼近壁面處，最大速度發生在葉片正面中部以及出口貼近壁面處，最大值為31.27m/s。腔內流體的相對速度分布隨著流動半徑的增大而逐漸增大，最大相對速度發生在葉片正面靠近出口處，最大值為4.636m/s。