弯曲文丘里环隙型水力空化发生器的特性

曾志杰，马雨航，白立新,*

(1.中国科学院声学研究所，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049)

根据国际标准化组织(ISO)下的微细气泡技术委员会(ISO/TC281)的定义，微细气泡(fine bubble)即液体中直径<100 μm的气泡。微细气泡用途已经非常广泛，并仍在不断拓展应用领域，目前已在渔业水体增氧[1-2]、悬浮颗粒物的气浮去除[3-4]、微藻细胞的采收[5-6]、有机物降解进行废水处理[7-8]、给水消毒[9-10]、地下水修复[11-12]、促进植物生长[13-14]、脱脂清洗[15-16]、船舶的微泡减阻[17-18]等方向均有成熟的应用。

微细气泡的产生方式有很多种，空化是其中较重要的一种产泡方式。空化是指当液体的压强下降到足够低时液体中空泡的生成及其后续的动力学行为[19]。空泡是一种存在径向振动或表面波动的、泡与泡之间存在强烈相互作用的、一直处于动态变化中，且具有高度活性的气泡，在其内部可能产生高温高压，在其周围的液体中可能产生冲击波、微射流、微声流[20]。因此，相较于其他的微细气泡产生方式，其正面或负面的效应也更为强烈，如空化可用于清洗、乳化、漂白、结晶、纳米颗粒合成、细胞粉碎、过程强化、超声萃取、超声碎石、晶粒细化，喷丸硬化和废水处理、射流切割等；另一方面，空化也会对水工建筑和水力机械造成空蚀、产生振动、发出噪声[19]。

产生空化主要有2种方式：通过压电效应或磁致伸缩效应由振动产生的空化，称之为声空化；通过高速水流产生的空化，称之为水力空化。通常超声空化的空泡溃灭得更为猛烈，在实验室内各方面的表现均很好，但在工业应用层面却面临着成本和能耗较高、经济性差、处理量较小、难以工业放大等问题；而水力空化的空化强度稍逊于超声空化，但因其具有处理量大、成本低廉、易于工业放大等优点而具备更好的工业应用前景[21]。

水力空化发生器的种类很多，其中常见的有文丘里管、孔板、簧片哨等，近些年也出现了许多基于传统水力空化发生器的变体。例如，孔板和文丘里管复合在一起[22-23]、孔板和簧片哨复合在一起[24]、基于文丘里原理的环隙型水力空化发生器[25-27]、基于弯头空化原理的圆板薄层空化发生器[28-31]。追求低能耗、大流量、高空化效率，且少堵塞和易维护是水力空化器的目标，为此，本文尝试提出了一种兼具文丘里、弯头、反弧、环隙特征的新型水力空化发生器，并借助高速摄影技术，对这种水力空化发生器的空化特性进行了试验研究。

1 弯曲文丘里环隙型水力空化发生器的设计

常见的文丘里管空化发生器是由一个渐缩段和一个渐扩段组成。当流动截面积在渐缩段逐渐减小时，根据伯努利方程，压力能转化为流体动能，流体的速度增加，压力减小，在截面积最小的喉部区域流速达到最大，压力达到最小，如果此时压力低于空化阈值，则流体会发生空化，空泡随着流体进入渐扩段，并在渐扩段压力增大时溃灭，如图1(a)所示。在管道流动中，弯头也容易发生空化，因为此处流体运动速度的方向发生改变，在流体转弯的内侧形成低压区，如果此处压力低于空化阈值，则流体会发生空化，如图1(b)所示。此外，在泄洪洞中，反弧段末端也容易发生空化，因为此处流体的离心力发生改变，压力突然降低，如果此处压力低于空化阈值，则流体也会发生空化，如图1(c)所示。基于以上几点，尝试将这3种容易发生空化的流动特征整合在一起，设计了一种新的流动形式，以实现强化水力空化的目的，如图2(a1)所示。

图1 易发生流体空化的几种工况Fig.1 Flow Structures Prone to Cavitation

图2(a1)为这种结构的二维示意图。由图2(a1)可知：这是一种弯曲的文丘里结构，截面积有渐缩和渐扩特征；同时，流体流动方向发生了改变，具有弯头特征；此外，流体在经过喉部区域获得高速度后还通过了一个弯道外侧反弧段，因此，这种结构兼具3种空化的特征。如果简单地将常规的圆柱状文丘里管弯折，由于管流的非对称性，只在轴切平面才符合这种特征，其他区域受壁面效应影响，效果会大打折扣。因此，采取2种方案实现这种流动形式。(1)尝试将图2(a1)的二维图形沿着Z1轴旋转成三维结构，如图2(b1)和图2(b2)所示。这种空化器的上部分与文丘里管相似，是一个渐缩的圆管；而下半部分是一个渐扩的圆盘薄层结构。这种空化器的上部可以连接圆管和水泵，与水泵连接；下半部分可以从圆盘外周的侧面引出几根圆管，然后汇流到一个螺纹圆管，以实现管道连接，或者直接置于一个水域中。文献[28-31]所用的水力空化发生器为图2(b3)结构，仅仅是一个二维弯头结构的旋转体，并没有渐缩渐扩的文丘里特征。(2)尝试将图2(a1)的二维图形沿着Z2轴旋转成三维结构，如图2(c1)和图2(c2)所示。这种空化器的上部分是一个渐缩的环隙流；而下半部分是一个流动方向发生改变的渐扩的圆盘薄层流体对冲结构。这种空化器的上部分可以链接圆管，与水泵连接；下部分也可以连接圆管，方便实现管道连接。文献[25-27]所用的水力空化发生器为图2(c3)结构，仅是一个二维直文丘里结构的旋转体，并没有流体方向改变的弯头特征和反弧段空化特征。因此，本文所提出的2种新型弯曲文丘里环隙型水力空化发生器[图2(b1)、图2(b2)和图2(c1)、图2(c2)]优于前人的设计，可以很好地整合前述3种易发生空化的流动特征[32]。

图2 弯曲文丘里结构Fig.2 Structures of Curved Venturi

2 弯曲文丘里环隙型水力空化发生器内的空化云

为了研究弯曲文丘里环隙型水力空化发生器(简称发生器)内的空化云，采用准二维薄层流道结构，如图2(a2)、图2(a3)所示。薄层流道结构由有机玻璃板制成，厚度为5 mm，流道直管段宽度为30 mm，流道喉部最窄处宽度为3 mm。这种薄层结构可以复现三维空化发生器内的空化状态，同时可以有效避免空化云之间的相互遮挡，有利于进行高速摄影研究。

2.1 不同压力下的空化云特征

图3清晰地记录发生器内不同压力下的空化云特征。图片是利用高速摄影机(Photron Fastcam SA-1, Photron Ltd., Japan)配合定焦镜头(LM50JCM, Kowa，Japan)，在透射的高亮LED灯(PI-LUMINOR 高亮LED灯，150 W)下，以帧率8 000 fps、曝光时间1/59 300 s的设置完成拍摄的。由于透射光被生成的空泡反射，没有进入高速摄影机，相较于其他没有空泡或较少空泡产生的区域，空泡区域的像素会较暗，空泡越密集的区域，黑色像素越密集。如图3所示，在流体高速地通过喉部(即发生器最窄的3 mm处)时，会生成空化云，空泡云间歇地被流体裹挟前进。0.06 MPa是发生器空化初生的压力阈值，低于这个压力发生器不会观察到空泡生成。图3(a)是空化初生的空化云，空化云面积相对较小，会间接性出现，随着流体前进，先前的小空化云会逐步溃灭。当压力增加至0.08 MPa时，能够看到发生器内的空化云数量增加，如图3(b)所示。当压力增加至0.10 MPa时，能看到空化云变大，空化器尾部能看到空化云随着旋涡扩散后，流体中分布大量的气泡正冲出发生器，如图3(c)所示。随着压力不断上升，图像中的黑色像块越来越大，空泡越来越密集，空化云仍是间接性出现，伴随着旋涡前行，如图3(d～i)所示。当压力增加至0.40 MPa、发生器内的空化云面积最大时，可以占据整个发生器，达到明显的气液两相共存状态。图4给出了试验测得的喉部流速和入口压力。

图3 不同压力下的空化云Fig.3 Cavitation Clouds under Different Pressures

图4 入口压力随喉部速度的变化Fig.4 Variation of Inlet Pressure with Throat Velocity

2.2 附着型空化

将附着在壁面的空化称作附着空化，图5记录的是发生器喉部区域的附着空化云，压力为0.2 MPa。图像是由高速摄影机配合长焦微距镜头(Zoom 6000，Navitar，USA；LM50JCM，Kowa，Japan)在闪光灯(HYLOW xenon flash lamp，大黑鲨I600)下，以帧率8 000 fps、曝光时间1/2 700 000 s的设置完成拍摄的。拍摄时由于利用闪光灯的反射而非透射，空化云区域内会反射闪光灯，较多的光线进入高速摄影机，使得较多空泡的区域图像亮度值较高；没有或少量空泡存在的液体区域会透射闪光灯光线，较少的光线进入高速摄影机，使得空化云稀疏区域的像素点亮度较暗。由于喉部区域是发生器最窄的位置，也是流道渐渐扩宽的初始位置，在这个位置的流体速度变化最为剧烈，其速度相较于流道的其他地方来说是最大的，也是整个流道压力的最低点，是整个全部空化云的起源地。如图5(a)实线框所示，空泡在喉部位置贴壁生成，是正在生长的附着空化云；虚线框的空化云是上一个附着空化云脱落之后的状态。随着时间向前推移，虚线框标记的空化云移出视野，实线虚框内的空化云逐步成长，如图5(b～e)所示。最后，实线框内的附着空化云也会像虚线框内的空化云那样脱落，如图5(f～h)所示。

图5 喉部附着空化云Fig.5 Attached Cavitation at Throat

2.3 旋涡空化云

试验中注意到，空泡会伴随旋涡运动，如图6所示。图6为高速摄影机在高亮LED灯光源反射条件下拍摄的，拍摄时入口压力为0.2 MPa。图6(a)是在帧率为500 fps、曝光时间为1/500 s的设置下完成；图6(b)是在帧率为8 000 fps、曝光时间为1/2 700 000 s设置下完成。空泡在流道最窄处产生，逐步向着流道渐渐扩张的位置流动，并伴随着旋涡，如图6(a)方框所示。为了看清楚其细节，将高速摄影机对准流道某一位置，观察旋涡的具体细节。如图6(b)所示，逆时针旋转的旋涡携带着喉部壁面产生脱落后的空化云前行。旋涡由附着空化云脱落时流体剪切产生，这个旋涡的形态一直保持到发生器下游并逐渐增大。

图6 旋涡空化云Fig.6 Vortex-Ring Cavitation Cloud

3 结论

本文尝试将文丘里、弯头、反弧这3种容易发生空化的流动特征整合在一起，设计了一种新的流动形式，并基于此提出了2种水力空化发生器的设计，并采用准二维薄层流道结构对这种流动形式的空化特性进行了高速摄影试验研究。研究发现，这种结构可以在较低的压力下发生空化，且空化云的空间占比较高；空化云以喉部附着空化为源头，表现出强烈的剪切和旋涡特征；空泡的空间分布呈现脉动式窝状结构。结果表明，这是一种具有潜在优势的水力空化发生装置。