內孔式旋轉空化器參數對空化效果的影響

韓桂華 朱宜鵬 洪健 李大尉

摘 要：通過控制變量法使用Fluent軟件對內孔式旋轉空化器進行數值模擬，得到結構參數（盲孔的孔徑、孔深，單排盲孔個數）和操作參數（轉速、入口壓力）對空化效果的影響規律：轉子盲孔孔徑、孔深、單排盲孔個數增加，轉速（2000～3000r/min）增加，則盲孔中氣體體積增加；入口壓力（1MPa～4MPa）增加，則盲孔中氣體體積減小。實驗中以純水水樣空化過程中溫升和電導率的變化為空化效果檢驗標準，在3000～9000r/min隨著轉速的增加，溫升和電導率顯著增加，間接驗證數值模擬的結果。本文為內孔式旋轉空化器的結構參數優化提供參考。

關鍵詞：內孔式；旋轉空化器；空化器參數；空化效果；影響規律

DOI：10.15938/j.jhust.2024.01.005

中圖分類號： O4274? 文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2024）01-0044-06

Influence of Endocavitating Rotary Cavitator Parameters on Cavitation Effect

HAN Guihua1， ZHU Yipeng1， HONG Jian1， LI Dawei2

（1School of Mechanical and Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China;2Institute of Advanced Technology of HAS，Harbin 150020， China）

Abstract：In this paper， the numerical simulation of the rotary cavitator with internal bore using Fluent software was carried out by the control variable method， and the influence law of structural parameters （bore diameter and depth of blind bore， number of single row of blind bore） and operating parameters （rotational speed and inlet pressure） on the cavitation effect was obtained： the increase of bore diameter， bore depth and number of single row of blind bore of rotor， and the increase of rotational speed （2000～3000r/min）， the volume of gas in the blind bore If the inlet pressure （1MPa～4MPa） increases， the volume of gas in the blind bores decreases The temperature rise and conductivity changes of the cavitation process of pure water samples were used as the cavitation effect test criteria， and the temperature rise and conductivity increased significantly with the increase of rotational speed from 3000～9000r/min to indirectly verify the results of numerical simulation This paper provides a reference for the optimization of the structural parameters of the endocavitating rotary cavitator

Keywords：internal bore type; rotary cavitation; cavitation parameters; cavitation effect; influence law

0 引 言

水力空化作為一種新型高效處理技術被廣泛應用于降解有機物、物理改性、強化化合物制備以及殺菌消毒等領域［1-4］。旋轉空化器、孔板與文丘里管空化器是當今使用最為普遍的水力空化裝置。旋轉空化器的優勢在于可以提高空化強度和空化產量，更好的應用于工業化生產［5］。

文獻研究表明：組合倉渦流空化器狹縫寬度小于2mm時，有小孔的最低壓力明顯小于無小孔的最低壓力［6］；旋轉空化器空化效果隨定子與轉子距離的減小而增大［7］；空化器負壓區域面積與出液管內徑、旋流腔直徑成反比［8］；不同孔結構［9］、齒形對空泡體積分數［10］、對空化率［11］有很大的影響。可見，結構參數對空化器的效果有影響。

而且葉片式旋轉空化器入口壓力［12］、盤式空化器入口壓力和轉速［13］、內孔式旋轉空化器轉速［14］，對空化效果有很大影響，袁惠新認為1400～9000r/min齒盤式空化區域面逐步積增大［15］，Xun Sun認為筒式旋轉空化器轉速2700～3300r/min時大腸桿菌的滅活率增大到百分之百［16］；葛新峰認為2000～3000r/min圓盤空化低壓面積增大［17］；王寶娥認為葉片式旋轉空化器350r/min時低壓區域壓力越低［18］。可見，轉速、壓力等操作參數對空化器效果有影響。

本文對內孔式旋轉空化器的參數進行研究，為其技術應用推廣提供依據。

1 旋轉空化器的結構及數值模擬

11 旋轉空化器的結構

內孔式旋轉空化器，如圖1所示，由定子與轉子組成，轉子上有均布的盲孔，定子進出口直徑為30mm，定子直徑為170mm，轉子直徑為150mm。

借鑒前述文獻［6-18］，初步選擇內孔式旋轉空化器轉子盲孔直徑、孔深、單排孔個數作為研究對象，以轉速、入口壓力作為操作參數研究對象。

12 建立數值模擬模型

121 多相流模型和湍流模型

在空化過程中，兩相流中的汽相與液相不斷地進行著動態的相互作用。本文選擇多相流模型為Mixture模型，采用雷諾數平均模擬數值計算湍流方法，空化是一種復雜的多相湍流運動，在內孔式旋轉空化器內存在較為復雜劇烈的壓力變化和旋轉剪切力。綜合考慮，選擇Realizable的k-ε模型作為數值模擬的湍流模型。

122 網格質量和數量無關性驗證

使用ICEM軟件劃分網格后，進行網格質量與角度檢查，一般認為網格質量和網格角度達到07和18 以上的網格符合要求，如圖2所示，本文所用網格滿足網格質量要求。

網格數量無關性驗證：為了找到合適的網格數量，通過改變盲孔的網格數，獲得了3種網格數目不同的模型，結果如表1所示。

由表1可知，隨著網格數目的增多，流量和出口速度，誤差逐漸減小；在網格從25萬增加到4萬時趨于穩定，誤差減小到1％左右。此時可以認為計算結果已經與網格數量關系不大，單個盲孔25萬的網格已經能夠達到網格無關，因此選擇單個盲孔網格數為25萬的網格進行計算。

123 邊界條件和計算方法

1）求解類型選擇基于壓力求解，時間類型為瞬態。

2）各相參數主要流體為水和水蒸氣。

3）進口和出口都采用壓力邊界。入口壓力為1MPa，湍流強度設為2%。

4）步長設置：轉子轉速在1000～3000r/min之間，旋轉周期為002～006s，故取步長為001s。

13 數值模擬結果分析

初始參數設置為轉速2000r/min，入口壓力1MPa，出口壓力為01MPa，孔徑為15mm，孔深20mm，單排孔數為20，孔排數為1。

通過Fluent軟件對內孔式旋轉空化器的瞬態氣相云圖進行分析，選擇001s，005s，010s，015s，020s作為分析的時間節點。

圖3所示各時間節點氣相云圖中，空化都發生于轉子盲孔中，隨數值模擬的時間推移，盲孔中的空化發生區域面積逐漸擴大，并在010s后逐漸趨于穩定。因此，采用盲孔內氣體體積作為衡量空化效果的標準，穩態時間設為020s。

2 結構參數對空化效果的影響

21 盲孔孔徑

在數值模擬過程中發現當孔徑小于10mm時，空化效果不好觀察，當孔徑大于15mm時相鄰兩孔會產生干涉。因此，選擇盲孔直徑為10mm、125mm、15mm來研究盲孔孔徑對空化效果的影響規律，結果如圖4所示。

圖4中氣相體積從大到小依次為：孔徑15mm、徑125mm、孔徑10mm。由圖5中不同孔徑下壓力云圖可知，隨著孔徑的增大，盲孔中的負壓區域隨之增大，空化發生區域在隨之越容易接近孔口，因此孔徑增大空化區域增大，氣相體積增大，空化效果增強。

22 盲孔孔深

在數值模擬過程中發現當孔深小于5mm時，幾乎不產生空化，當孔深大于20mm時相鄰兩孔會產生干涉，因此，選擇盲孔孔深為5mm、10mm、15mm、20mm來研究盲孔孔深對空化效果的影響規律，結果如圖6所示。

圖6中氣相體積從大到小依次為：孔深20mm、孔深15mm、孔深10mm、孔深5mm，說明隨著孔深的增大，空化效果越好。這是因為孔深越大，轉子旋轉離心力作用區域越大，空化區域越大。

23 單排盲孔個數

為了更清晰的對比，選取盲孔單排孔數為2、10、20來研究其對內孔式旋轉空化器空化效果的影響，結果如圖7所示。

圖7中氣相體積從大到小依次為：單排孔數20、單排孔數10、單排孔數2，說明隨著單排孔數的增多，可產生空化的區域增大，空化效果增大。

3 操作參數對空化效果的影響

通過控制變量法，對轉速和入口壓力進行數值模擬，以氣體體積大小為標準，分析其對內孔式旋轉空化器空化效果的影響規律。

31 轉速

在初始參數不變的情況下，改變轉子轉速。

在數值模擬過程中發現轉速小于2000r/min時空化區域幾乎不產生空化，而當轉速超過3000r/min時空化區域面積增加不明顯，因此選用2000r/min、2500r/min、3000r/min來進行模擬，結果如圖8所示。

圖8中氣相體積從大到小依次為：轉速3000r/min、轉速2500r/min、轉速2000r/min，說明在限定范圍內，隨著轉速的增大，轉子旋轉產生的離心力就越大，使得達到飽和蒸汽壓的區域增大，空化效果越好。

3.2 入口壓力

在初始參數不變的情況下，改變入口壓力。

當入口壓力小于1MPa時空化區域面積變化不明顯，而當入口壓力超過4MPa時幾乎不產生空化，因此研究入口壓力分別為1MPa、2MPa、3MPa、4MPa時，其對內孔式旋轉空化器空化效果的影響，如圖9所示。

圖9中氣相體積從大到小對應的壓差依次為：1MPa、2MPa、3MPa、4MPa，說明在限定范圍內空化效果隨著入口壓力的增大而減小。因為入口壓力增大，使得整個旋轉空化器內部壓力升高，而離心力以及轉子定子間的剪切力所導致的壓降是一定的，導致達到飽和蒸氣壓區域減小。

4 內孔式旋轉空化器的轉速實驗

前述研究驗證了純水溶液的溫升及電導率隨著空化強度的增大而增加［19-21］。本文在實驗條件下，通過試驗樣機進行不同轉速下的內孔式旋轉空化器溫升和電導率變化實驗。

實驗原理及裝置如圖10所示，實驗采用變頻調速原理控制電機及空化器轉子轉速，實時檢測水樣的溫度，得到轉速與溫升的關系；水樣冷卻到室溫后檢測電導率的變化，消除溫度對電導率的影響。

電動機的初始轉速為2000r/min；實驗水樣初始值為溫度：166℃；電導率為122μS/cm。

41 轉速-溫升實驗

不同轉速下水樣溫升數據如圖11所示。

由圖11可得：

1）隨著轉速增加，水樣的溫升顯著增加。實驗結果顯示，在空化實驗進行的1～5 min，水樣的溫升與空化器轉速成線性關系。

2）同轉速下，水樣溫升隨著時間增加而增大。

42 轉速-電導率實驗

不同轉速的空化實驗得到的水樣電導率如圖12所示。

由圖12可得：

1）隨著轉速增加，水樣的電導率增加。實驗結果顯示，電導率的增值與轉速成線性關系，即空化器的空化效果隨轉速增加而增加。

2）同轉速下，水樣電導率隨著時間增加而增大。

轉速實驗所得結論與數值模擬轉速部分所得結論一致，即在一定范圍內，轉速增加，空化器空化效果越好，通過轉速實驗驗證了數值模擬結果的準確性。內孔式旋轉空化器各參數間的影響關系，需要實驗進一步研究。

5 結 論

本文通過數值模擬的方法，探究了結構參數與操作參數對內孔式旋轉空化器空化效果的影響，并進行了不同轉速下電導率和溫升表征下的空化實驗輔以驗證。所得結論如下：

1）數值模擬中，在一定參數范圍內，隨著轉子盲孔孔徑、孔深增大，轉子上單排盲孔個數增加，孔內氣相體積增加，空化效果增強。

2）數值模擬中，在轉速2000～3000r/min范圍內轉速增大，入口壓力1MPa～4MPa壓力減小，轉子盲孔孔內氣相體積增加，空化效果增強。

3）空化實驗中，轉速范圍（3000～9000r/min）內，轉速增加，水樣溫升增大，水樣電導率增大，驗證了數值模擬中所得轉速增加，空化效果增強的結論。

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（編輯：溫澤宇）

基金項目： 黑龍江省自然科學基金（E2016）；國家自然科學基金（51375123）；黑龍江省科學院科學研究基金（KY2020GJS03） ；黑龍江省省屬科研院所科研業務費項目（SJKYYWFC2021GY02 ，ZNBZ2022GJS03）

作者簡介：朱宜鵬（1997—），男，碩士研究生；

洪 健（1996—），男，碩士

通信作者：韓桂華（1972—），女，博士，教授，碩士研究生導師，E-mail：1269107634@qqcom