不同内轴类型环隙型水力空化器空化效果的数值模拟

郑胜寒，卢晓江，石 宇

(天津科技大学机械工程学院，天津 300222)

1 计算模型、计算方法及边界条件

1.1 计算模型

图 1为设计的 3种不同内轴类型的环隙型水力空化器结构示意图．空化器除了内轴不同外，其余结构与尺寸均相同．外腔直径为 60,mm，空化器长度为400,mm，外腔与内轴中心线重合，3种不同的空化器内轴直径均为 20,mm，内轴最大直径处直径均为52,mm．采用三维结构网格划分方案，运用专业网格划分软件Ansys Icem对计算区域进行空间六面体网格划分，以球形内轴空化器为例，其网格划分结果见图 2．

图1 不同内轴类型的环隙型水力空化器结构示意图Fig. 1 Structure schema of the annulus cavitation device with different types of inner shafts

图2 球形内轴环隙型空化器网格划分图Fig. 2 Mesh map of the spherical inner shaft device

1.2 计算方法及边界条件

1.2.1 计算方法

利用计算软件Ansys Fluent进行运算，选用基于压力的稳态求解器类型；多相流模型采用 Mixture模型，不考虑气液两相间的相对运动；采用 Realizable-κ ε湍流模型封闭三维Navier-Stokes方程，壁面处理采用标准壁面函数；选用稳定性较好的Schnerr-Sauer空化模型；采用 Simple压力速度耦合方式对流场进行计算，其他项选用具有绝对稳定特性的一阶迎风格式．

湍流模型选用Realizable -κ ε模型，其中κ和ε的方程分别定义为

1.2.2 边界条件

水在常温下(300,K)发生空化的压力为3,540,Pa，采用压力入口、压力出口以及无滑移标准壁面函数边界条件．设进出口蒸气体积分数为 0，液态水体积分数为 1．入口压力为 0.8,MPa，出口压力为 0.2,MPa．

2 计算结果与分析

2.1 压力云图

图 3为 3种环隙型水力空化器发生空化现象时中间截面的压力分布云图．可以看出：水流经过由内轴最大直径与外腔组成的环隙时，由于节流的原因，会在环隙后方产生一定范围的低压区，节流的作用致使水流速度与压降急剧增大，从而产生了低压区．低压区的形成为流体发生空化提供了先决条件．随着流体的流动，空化器的后半段压力逐渐升高，并且流体中气含率也在不断增加，这将会导致空泡的稳定性降低，从而使空泡流在某个位置处产生溃灭，形成溃灭区．由于水流不断流过环隙，会在空化初生期不断产生空泡，并随水流进入生长区和溃灭区，从而形成了如图 3所示的压力云图．对比 3种空化器压力云图得出梨形内轴空化器低压段范围最小，球形内轴空化器低压段范围最大，锥形内轴空化器低压段范围介于梨形内轴空化器与球形内轴空化器之间．

比如电视节目《经典咏流传》，把古典、经典华章与现代音乐结合在一起，让学生通过唱歌的方式记住古诗词。小学语文课本中的《登鹳雀楼》一诗，用了同一首曲子，由不同语言反复吟唱，让一首简单的、只有20字的古代诗歌的魅力，穿越千年的历史长河，突破中西文化的壁垒，展现在了世人面前。

图3 压力云图Fig. 3 Contours of pressure

2.2 速度云图

图 4为 3种环隙型水力空化器发生空化现象时中间截面的速度云图．从图 4可以看出：流体在经过环隙时会在环隙后方产生一定范围的高速区，流体在经过环隙后，流体速度并没有随着流道面积的增加而下降的原因是由于流体发生空化产生的气泡随着流体一起流动，空泡的体积占据了一部分流道，流体只能在空泡间隙流动，从而使流体流速并没有显著降低．在高速区末端流体速度急剧下降，这是由于流体经过溃灭区，空泡重新溃灭成液态水，从而使流速下降的原因．器出口处的速度略大于在进口处的速度，这主要由两方面原因造成的：(1)在锥形内轴与梨形内轴空化器低压区后方出现了一段中低压力的“过渡区”，这说明由于空化泡大小或形态等原因导致空化泡在溃灭区并没有发生完全溃灭，从而流体中还存在少量的空化泡；(2)流体在高速区后方形成了一定范围的旋涡区，旋涡区会占用一部分流道，从而使能供流体通过的流道变窄．

图4 速度云图Fig. 4 Contours of velocity

对比流体在锥形内轴空化器与梨形内轴空化器的流动状态，梨形内轴空化器中流体在开始进入收缩段时会形成一定范围的“死区”，从而造成一部分能量损耗，并且对流体流动方向与流动状态造成影响；而锥型内轴空化器“死区”范围很小．因此，锥形内轴空化器高速区范围大于梨形内轴空化器的．

对比流体在锥形内轴空化器与球形内轴空化器的流动状态，锥形内轴空化器“死区”范围很小，而球形内轴空化器中流体同样形成了一定范围的“死区”，造成了一部分能量的损耗，并且对流体流动方向与流动状态造成了影响．但是，锥形内轴空化器的环隙结构具有“角度突变”的特征，而球形内轴空化器的环隙结构具有“角度渐变”的特征，环隙结构处角度的突变会强制地使流体流动方向发生改变，尤其对在环隙处高速流动的流体造成更为显著的影响.因此，球形内轴空化器高速区范围大于锥形内轴空化器的．

综上：不同内轴类型的空化器相比，空化器内流体速度峰值差别不大；但是，对于高速区范围，球形内轴空化器＞锥形内轴空化器＞梨形内轴空化器．

2.3 壁面气含率分布图

对于水力空化而言，空化过程往往发生在流体与固体壁面的交界面及其附近区域[10]．为了进一步分析内轴类型对空化器内部蒸气体积分数的影响，选取3种空化器的外腔壁面与内轴壁面进行分析，对比不同的内轴类型对外腔壁面处与内轴壁面处气含率的影响．图 5为 3种内轴类型空化器的外腔壁面与内轴壁面气含率分布图，图中横坐标为 x轴坐标，其方向为沿空化器的轴线方向，空化器环隙位置均在100,mm处．

由图 5可以看出：3种空化器均是在轴向位置100,mm处内轴壁面上开始发生空化，说明流体在经过环隙后产生空化，并且气含率迅速达到峰值，气含率峰值接近 100%,，表明在环隙后部附近区域内内轴表面部分区域已经接近完全汽化．其中，锥形内轴空化器空化发生的区域在 100～300,mm，梨形内轴空化器发生空化的区域在 100～260,mm，球形内轴空化器发生的区域在100～330,mm．3种内轴类型对内轴壁面处气含率峰值影响不明显，对高气含率区域值影响明显．

图5 3种空化器壁面气含率分布图Fig. 5 Vapor fraction at the wall of three types of annulus cavitation device

外腔壁面的空化是从 x轴坐标为 100,mm处后方一段区域开始的，这主要是由于内轴壁面处产生的空化泡一方面受到流体的“裹挟”作用向下游移动；另一方面又由于空化泡的数量越来越多，空化泡之间产生相互挤压作用，从而使得空化泡向外腔壁面处扩散．外腔壁面处流体气含率沿x轴坐标的增长由两个阶段组成，第一个阶段气含率增长较快，第二个阶段气含率增长较慢，两个阶段转折点处的x轴坐标与内轴壁面处气含率最高值对应的x轴坐标相同，说明随着内轴壁面处气含率的下降，外腔壁面处气含率的增长速度也在下降．外腔壁面处气含率峰值出现在空化泡溃灭的部位，其中，锥形内轴空化器外腔壁面处气含率峰值为 52%,，梨形内轴空化器外腔壁面处气含率峰值为 48%,，球形内轴空化器外腔壁面处气含率峰值为60%,．

3 结 论

(1)3种内轴类型对空化器内流体速度峰值影响不大，但高速区范围球形内轴空化器大于锥形内轴空化器大于梨形内轴空化器，高速区范围的提高有利于多种水力空化的实际应用．

(2)3种内轴类型空化器的内轴壁面处空化效果最好，外腔壁面处空化效果最差，并且不同内轴类型对内轴壁面处空化气含率峰值影响不显著，对外腔壁面处空化气含率峰值影响显著．其中，球形内轴空化器外腔壁面处气含率峰值最高，梨形内轴空化器外腔壁面处气含率峰值最低，锥形内轴空化器气含率峰值介于两者之间．

(3)环隙结构的“角度突变”特征会使流体的空化效果减弱，在设计环隙型空化器时应尽量避免环隙结构处的“角度突变”，本研究中球形内轴空化器的空化效果最好，其次是锥形内轴空化器，梨形内轴空化器最差．

参考文献：

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