自激共振喷嘴与锥形喷嘴空化发生器的空化特性仿真研究

关善超,胡雪佳 ( 陕西师范大学物理学与信息技术学院，陕西 西安 710062)

沈壮志 (陕西师范大学物理学与信息技术学院 陕西省物理研究所,陕西省超声学重点实验室，陕西 西安 710062)

自激共振喷嘴与锥形喷嘴空化发生器的空化特性仿真研究

关善超,胡雪佳 ( 陕西师范大学物理学与信息技术学院，陕西 西安 710062)

沈壮志 (陕西师范大学物理学与信息技术学院 陕西省物理研究所,陕西省超声学重点实验室，陕西 西安 710062)

运用Fluent软件、k-ε模型、气液两相流空化模型，模拟计算了相同喷嘴直径下的自激共振喷嘴和锥形喷嘴空化发生器的空化特性，得出了自激共振喷嘴在同样条件下出现空化现象所需时间比锥形喷嘴少，空化区域大，湍流动能强的结论，对设计空化发生器有一定的指导作用。

自激振动；空化；喷嘴

随着科技的进步，生活中的污染尤其是水污染也越来越严重。我国是世界上最缺水的国家之一，怎样方便且无二次污染的处理化学生活污水成了重要的研究课题，而空化现象由于其瞬间产生的高温高压能很好的分解大分子化合物且无二次污染，成为了人们重点关注的方法之一。产生空化的基本方法有超声空化和水力空化，超声空化已经在加速化学反应实现非均相反应物间的均匀混合及超声清洗、钻孔方面做出了不少贡献，但是超声空化同时存在能量利用率低、空化效应区域小的缺点[1]，而水力空化正好弥补了该缺点，在化工应用方面优势明显[2]。

近些年研究表明，空化发生器的结构对空化场的分布有十分显著的影响，渐变型空化发生器产生的空化区域范围大，比突变性反应发生器优势明显，且最佳入口压力为0.55MPa[3]。自激共振射流可以很好地产生空化效应，且湍流动能更强[4]。王萍辉等的研究表明，谐振腔长度L与谐振腔喷嘴直径d的比值L/d不同会影响出口速度及脉动压力，而当其比值在2.1附近时出口速度最大[5]。下面，笔者研究自激共振喷嘴与锥形喷嘴(自激共振喷嘴选用L/d=3的自激共振喷嘴，k-ε湍流方程和schnerr-sauer空化模型[6])在0.55MPa下的空化场及压力场。

1 2种喷嘴模型的建立

图1和图2分别是锥形喷嘴空化发生器和自激共振喷嘴空化发生器2种喷嘴的平面示意图，示意图上所有尺寸的单位为毫米，D为入口直径，d为喷嘴直径。L为谐振腔长度，保证流场区域长度和尺寸一致。

图1 锥形喷嘴空化发生器 图2 自激共振喷嘴空化发生器

2 数值模拟与控制方程

Fluent模拟流体空化使用Gambit建立二维模型和划分网格，网格数在10万左右，充分保证了模拟的精确性。经验证即使网格数再增加，对模拟精确度影响很小而且影响计算速度。流域内流体为水，其参数为fluent数据库自带的标准大气压下的水的参数。

1)模拟的动力学方程 流体为不可压缩粘性流体，其运动规律受控于Navier-Stokes方程：

式中，u为流体流速；P为流体压力；ρ为流体密度； ϑ为流体粘滞系数。

湍流方程采用标准k-ε模型，其中k表示湍流动能，ε表示湍流耗散项。其运输方程为：

式中，Gk表示由层流速度梯度而产生的湍流动能；Gb是由浮力产生的湍流动能；YM是可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动；C1、C2、C3是常量；σk和σε是k方程和ε方程的湍流Prandtl数；Sk和Sε自己定义。Fluent默认值为：

C1ε=1.44C2ε=1.92Cμ=0.09σk=1.0σε=1.3

2)模拟的空化模型 采用Schnerr-Sauer空化模型，主相为水，第2相为水蒸气，由于流体的高速运动，造成局部出现负压区，当负压达到一定值(-9.78×104Pa)，则fluent默认出现空化现象。空化流场受以下方程控制：

式中，t表示时间；u表示速度；ρm、ρϑ、ρ表示混合相密度、汽相密度和液相密度；δij表示克罗内克数；αϑ表示汽相体积分数；μ和μt表示混合介质动力粘度和湍流粘度；R表示相间质量传输率。

3 数值模拟结果与分析

1)锥形喷嘴的压力场和空化场分布结果 图3显示了锥形喷嘴在文丘里管中的空化过程中的压力场变化，在t=0.0037s时开始出现空化现象，此时负压区压力为-9.78×104Pa，空化首先出现在喷嘴处，之后随时间延长负压区域逐渐扩大，在0.008s时达到稳定，基本上遍布整个文丘里管。图4是锥形喷嘴的空化云图，同压力云图对照可知，空化场出现在流体的负压区，最终基本遍布整个文丘里管。

图3 锥形喷嘴的压力云图 图4 锥形喷嘴的空化云图

2)自激共振喷嘴的压力场和空化场分布结果 图5显示了自激共振喷嘴在文丘里管中的空化发生过程，在t=0.00334s时达到空化条件，比锥形喷嘴空化开始早，但是最终达到稳定空化时间比锥形喷嘴晚，负压区域大。图6显示了自激共振喷嘴在文丘里管中的空化场分布，可以看出自激共振喷嘴空化现象出现时间早，且产生的空化场更大，比锥形喷嘴更有优势。

3)2种喷嘴湍流动能比较 由图7和图8可以清晰直观的看到自激共振喷嘴的湍流动能最大值比锥形喷嘴强约55%，而且自激共振喷嘴在出口处湍流动能有一个增加过程，湍流动能在出口处有2处对称增强区，因此也就解释了为什么自激共振喷嘴的空化区域比较大。

图5 自激共振喷嘴的压力云图 图6 自激共振喷嘴的空化云图

图7 锥形喷嘴湍流动能曲线 图8 自激共振喷嘴湍流动能曲线

4 结 论

1)自激共振喷嘴的空化现象出现时所需时间比锥形喷嘴少，达到稳定的时间比锥形喷嘴长。

2)自激共振喷嘴的空化场范围比锥形喷嘴空化场范围大。

3)自激共振喷嘴的湍流动能比锥形喷嘴湍流动能强。

[1]沈壮志,柳楠.文丘里管反应器空化泡的动力学特性[J].陕西师范大学学报(自然科学版),2011,40(1):23-28.

[2] 张晓冬,李志义,武君,等.水力空化对化学反应的强化效应[J].化工学报,2005,56(2):262-265.

[3] 关善超，沈壮志.水力空化发生器的结构对空化场分布的影响[J].化学工程与装备，2012(8)：52-55.

[4] 李根生,沈忠厚,周长山,等. 自振空化射流冲击压力脉动特性实验研究[J]. 水动力学研究与进展(A辑),2003,18(5): 570-575.

[5] 王萍辉，朱单，马飞.自激振动空化喷嘴的仿真研究[J].煤矿机械，2009,30(3):53-55.

[6] 刘厚林，刘东喜，王勇，等.3种空化模型在离心泵空化流计算中的应用评价[J].农业工程学报，2012,28(16)：54-59.

2012-10-24

国家自然科学基金项目(11174191)；陕西省自然科学基金项目(2011JM1002)；国家大学生创新训练计划项目(CX12131)。

关善超(1989-)，男,现主要从事声空化方面的学习工作。

O357.1

A

1673-1409(2013)01-0012-03

[编辑] 洪云飞