锥角对锥形空化器空化性能影响的研究

赵孟石，王 悦,2，裴 禹，李大尉，姚鸿宾，姚立明，丁 锐

(1.黑龙江省科学院高技术研究院,哈尔滨 150020； 2.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001)



锥角对锥形空化器空化性能影响的研究

赵孟石1，王 悦1,2，裴 禹1，李大尉1，姚鸿宾1，姚立明1，丁 锐1

(1.黑龙江省科学院高技术研究院,哈尔滨 150020； 2.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001)

圆锥型水下空化器由于其优异的空化性能而得到广泛应用，然而，锥角大小对其空化性能的影响却鲜有研究，本文旨在阐释锥角对空化性能的影响大小。选取锥角分别为60°、90°、120°的空化器，在来流速度为60 m/s时条件下，通过数值模拟的方法研究了其压力场分布以及绕流钝体前后流场的水蒸气体积分数分布。结果表明:随着锥角的增加，空化区域具有先增加、后减小的趋势，表明存在一个最佳的锥角值。

水下空化器；数值模拟；水蒸气体积分数；锥角；空化性能

空化现象自从首次发现于英国一艘驱逐舰的螺旋桨上，就通常和负面效应联系在一起，例如:在流体机械中，空化现象的出现会带来噪声、振动和过流部件的空蚀破坏等负面影响[1]。然而，随着近年来对空化现象研究的不断深入，许多利用空化的技术被应用到工程实际当中，如:利用空化射流清洗物面(除污、除锈、除船体海洋生物)，利用空化杀灭水中浮游生物，利用空化射流分散海面溢油等[2-3]。空化是液体中的压强下降到某一临界值后，液体内部原来含有的微小气泡(通称气核)在液体中迅速膨胀，形成含有水蒸气或其他气体的明显气泡的过程。空化现象可以在很多液体流动中发生，包括流体机械、水下航行体，等等[4]。

圆锥型水下空化器由于其优异的空化性能而得到广泛应用，然而，锥角大小对其空化性能的影响却鲜有研究。本文旨在阐释锥角对空化性能的影响大小，选取锥角分别为60°、90°、120°的空化器，在来流速度为60 m/s时通过数值模拟的方法研究其压力场分布，绕流钝体前后水蒸气体积分数分布。分析结果表明:锥角对压力场的影响较大，对空化区大小影响较小。本文结构如下:第1节中介绍了空化器的工作原理、物理结构以及数值求解时网格划分方法。第2节中分析了空化器在不同来流速度下的空化性能。第3节中进一步总结了模拟结果。

1 求解域的网格划分及数值计算方法

图1是本文所研究物理模型的网格划分(由于不同锥角网格划分方法类似，这里只给出了120°锥角时的网格划分情况)。空化器的工作原理为:在管道中镶入不同几何形状的钝体(本文为120°锥体)，空化器的左侧通入高速流体。当高速流体绕流钝体时，将在钝体后面形成空化区，空化区产生的小空泡射流溃灭而创造高温、高压、微射流条件，达到空化的目的，因此，空化区越大，则空化性能越好。影响锥形空化器空化性能的主要因素是来流速度以及锥角大小。在此前的研究中研究了流速对锥形空化器的性能影响，本文主要研究锥角对空化器空化性能的影响。采用结构化网格对计算区域进行划分。由于采用了非平衡壁面函数对近壁面区域进行处理，因此在划分网格时不需要在壁面区加密，只需要把第一个内节点布置在对数律成立的区域内，即配置到湍流充分发展的区域。

图1 圆锥型空泡清洗器空化流动问题计算域、网格和边界条件Fig.1 Cone-type airfoil cleaner cavitation flow problem in calculation domain, grid and boundary conditions

数值计算在商业软件Fluent上实施，相关设置如下:A.收敛判断准则。计算域进出口质量流量近似相等，其差值不超过0.01%；监测的各残差值随着迭代次数的增加降到规定的数值以下；监测的水蒸气体积分数面积加权平均值最终维持在一个定值不变。B.流体物性参数设定。液态水物性参数设定:密度为998.2 kg/m3，动力黏度为0.001 003 Pa·s。气态水物性参数设定:密度为0.025 58 kg/m3，动力黏度为1.26×10-6Pa·s。C.模型选择。多相流模型采用混合模型。空化模型采用Schnerr-Sauer模型，气泡数密度设定为默认值1×1013，饱和蒸汽压为103 540 Pa。湍流模型选择Realizablek-ε模型，采用非平衡壁面函数处理近壁区域。D.数值计算方法选择。采用PISO算法对代数方程进行离散求解的具体实施方案为:压力采用PRESTO格式；动量方程、k方程、ε方程均采用二阶迎风格式；体积分数方程采用一阶迎风格式。E.边界条件设定。入口采用60 m/s的速度进口条件，出口为压力出口边界条件，压力大小设定为2个大气压。计算域壁面和空泡清洗器面均设为无滑移壁面。具体设置如图1所示。

2 计算结果分析

从图2中可见，随着锥形空化器中水流喷射速度的增加，钝体绕流后压力场增大，注意到来流速度相同，则在小角度下锥形空化器更容易在钝体之后形成空化区。同时，在钝体和管壁之间的喉部区域，流速增加，压力骤降。随着锥角的增加，在喉部区域压力梯度变化逐渐减小。压力的减小符合伯努利方程。在钝体前方，高压区分布较为均匀，在钝体后方，低压区分布也比较均匀。流体压力在通过喉部时迅速骤降至低压，在此区域内空化初生的可能性较大。压力场的计算结果表明，小锥角更容易在钝体绕流的后方形成低压区，这是因为锥角斜面的导流作用所致。而锥角较大时，来流撞击锥面，会产生一定程度的回流，减小了喉部的速度，因而绕流后压力较大。总之，从压力场的结果来看，小锥角更倾向于产生空化。

图2 v=60 m/s流速下锥形空化器分别在60°、90°、120°(a,b,c)锥角下的压力场分布Fig.2 Distribution of pressure field of conical cavitator at 60°, 90°, 120° (a, b, c) respectively, at v=60 m/s

图3给出了不同水流喷射速度下锥形空化器内水蒸气的体积分布。水蒸气的体积分数定量衡量空化性能，当水蒸气的体积分数接近1时，表明此时流动区域为气相流动，为空化区。从图3中可以发现，在来流速度为60 m/s的条件下，三种不同锥角的锥形钝体后都产生了空化区，空化气泡呈梯形结构，空泡的底端整个附着在锥体地面，随着流动的发展，空泡横截面减小。三种工况下空泡顶端具有凹陷结构，表明此处空泡最先从该区域开始溃灭，而随着锥角的增加，此凹陷区域具有先减小，后增加的趋势。从空泡的大小可以看出，随着锥角的增加，空泡先增加后减小。由于空化是压力和速度共同作用的结果，因而可以得出，虽然绕流后压力随锥角增加而增加，但其空化效率并非一直减小。空泡边缘属于气液两相流，此区域中存在微小气泡，在射流至物体表面时，气泡溃灭，同样具有一定的空蚀作用。上述计算结果表明:对锥形空化器而言，锥角太大或太小均不适于空化性能的提高。

图3 v=60 m/s流速下锥形空化器分别在60°、90°、120°(a,b,c)锥角下的水蒸气体积分数分布Fig.3 Cone angle of the water vapor volume fraction distribution of the cone-shaped cavitator at 60°, 90°, 120° (a, b, c) underflow rate at v=60 m/s

3 结语

为了阐释锥形空化器锥角大小对空化性能的影响，本文在60 m/s的流速下，对绕流锥角为60°、90°、120°钝体空化器的压力场及水蒸气体积分数场进行分析。计算结果表明:随着锥角的增加，钝体后的流场压力增加，但空化区域呈现先增加，后减小的趋势。空泡在90°左右具有极大值。此外，锥角对空化性能的影响主要体现在绕流后压力场的变化。存在一个最佳锥角，在此锥角下，空泡体积最大。

[1] 黄继汤.空化与空蚀的原理及应用[M].北京:清华大学出版社，1991.

[2] 陈利军，吴纯德，张捷鑫.水力空化技术在饮用水消毒中的应用[J].水处理技术，2007，33(03): 45-48.

[3] 张晓东，李志义，等.水力空化对化学反应的强化效应[J].化学工程，2005，(56): 262-265.

[4] 尤国荣.环隙型水力空化器对过程强化性能的研究[D].大连:大连理工大学，2010.

Study on the effect of taper angle on cavitation performance of conical cavitation cleaner

ZHAO Meng-shi1, WANG Yue1,2, PEI Yu1, LI Da-wei1, YAO Hong-bin1, YAO Li-ming1, DING Rui1

(1.Health Research Institute, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150020, China;2. Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The conical underwater vacuolar cleaner is widely used because of its excellent cavitation performance. However, the effect of cone angle on its cavitation performance is rarely studied. The purpose of this paper is to explain the effect of cone angle on cavitation performance. We selected the cavitators with taper angles of 60 degrees, 90 degrees and 120 degrees respectively. At the flow velocity of 60 m/s, the pressure field distribution at the flow front and back flow were studied by numerical simulation. The volume fraction of water vapor in the field. The results show that with the increase of taper angle, the cavitation region has the tendency of increasing first and then decreasing, indicating that there is an optimal cone angle.

Underwater airfoil cleaner; Numerical simulation; Water vapor volume fraction; Taper angle; Cavitation performance

2017-03-17

赵孟石(1987-)，男，硕士，助理研究员。

TH311

A

1674-8646(2017)10-0038-03