孔板通道结构参数对空化效应的影响

韩桂华，洪健，侯进军，李大尉，赵孟石，裴禹，姚立明

摘要：孔板制作方便、易于更换，是产生水力空化效应的主要结构形式。为了研究孔板通道结构参数对空化效应的影响，通过Fluent软件建立孔板空化装置的仿真模型，得到孔板通道截面积、孔分布方式、孔分散程度、孔板通道表面粗糙度对水力空化效果的影响规律，即，10种孔板通道参数的气体体积流率随压差的变化曲线;并以亚甲基蓝溶液的空化效应为实验表征。结论表明：相同通道截面积条件下，多通道比单通道的空化效果好;通道截面积的增加可以有效提高空化效果;孔间距相近时，孔分布方式对空化效果无明显影响;孔分布方式不变时，孔分散程度越小对流体的空化效果越好;孔板通道表面低粗糙度可以促进空化。可为孔板结构参数优化提供基础。

关键词：空化效应;孔板通道;结构参数;亚甲基蓝溶液;气体体积流率

DOI：10.15938/j.jhust.2022.01.014

中图分类号： O427.4        文献标志码： A        文章编号： 1007-2683（2022）01-0108-07

Influence of Orifice Channel Structure Parameters on Cavitation Effect

HAN Guihua1，2，HONG Jian1，2，HOU Jinjun1，2，LI Dawei3，4，

ZHAO Mengshi3，4，PEI Yu3，4，YAO Liming3，4

（1.School of Mechanical and Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China;

2.Harbin Kashida Electromechanical Technology Co.， Ltd.， Harbin， 150080， China;

3.High Technology Research Institute of Provincial Science Institute， Harbin， 150001， China;

4.Heilongjiang Provincial Industrial and Technical Cooperation Center with Russia， Harbin 150001， China）

Abstract：The orifice was used for hydraulic cavitation with its manufacture and replacement easily. The orifice device cavitation simulation model was established under the Fluent software to study the influence between the structure parameters and the cavitation effect， such as the hole area， hole distribution， hole dispersion， and surface roughness. Then the change curves of the gas volume flow with pressure drop were gained， and the cavitation effect of the methylene blue solution was gained in an experiment. The conclusion shows that the cavitation effect of multiple channels is better than a single channel under the same hole area; the increase of the hole area can improve the cavitation effect; when the hole spacing is similar， the hole distribution mode has no obvious influence. When the distribution mode is unchanged， the smaller the degree of pore dispersion， the better the cavitation effect; the low surface roughness of hole can promote cavitation， and vice versa. It is the basis of orifice cavitation device parameters optimization.

Keywords：cavitation effect; orifice channel; structural parameter; methylene blue solution; vapor volume flow

0前言

水力空化技術是一种用物理手段使流体内部发生剧烈物理反应，并引发一系列化学反应的技术。其原理为液体在常温下流经节流装置时，流速会增加、压力会降低，当液体的局部压力降至饱和蒸气压及以下时，液体中的可溶性气体就会析出，形成相当数量的空化泡，低压区空化的液体会携带大量的空泡形成“两相流”运动，当流体压力增大时，空泡会在流动时瞬间溃灭（只有几微秒的时间）并产生高温（5000K）和瞬时高压（50MPa），会形成强烈的冲击波和速度70～180m/s的微射流，产生具有高化学活性的羟基自由基（·OH）和强氧化剂双氧水（H2O2）。当其应用于污水时，与污水中的有机污染物发生氧化反应，空泡溃灭时的剪切力可以分解流体中的微生物等物质，因此，可以高效的处理多种有机污染物[1-5]。空化效应是物理和化学反应共同作用的结果，能够产生此效应的结构类型有文丘里管式、孔板式、筒式、盘式等[6]。

孔板式水力空化器结构简单，易于更换孔板，便于实验及研究，近年来国内外学者都对孔板的空化效应进行了一些研究。王永广[7]针对1mm和5mm厚度的孔板，采用压力速度耦合方式进行流场计算，通过气含率、湍动能及流线速度矢量图得出，5mm厚度的孔板空化效果更好。韩伟[8]通过数值分析，得出矩形孔口孔板的湍动能和雷诺应力远大于三角形孔和圆形孔，表明矩形孔口孔板的空化效果更好。钱锦远[9]研究了孔板厚度、开孔率、有无中心孔以及孔间距等参数对气含率和压降的影响：薄壁孔板对流体压降影响较小，开孔率表现敏感，开中心孔使压降减少10%;出口压力一定时，流速升高会抑制空化，出口压力低时整体气含率较高。Alister等[10]通过数值模拟研究了孔板厚度、孔径、孔口角度等参数对流体速度、压力梯度、气含率和湍动能量的影响：孔板厚度和孔径对空化效果影响显著。Jin等[11]建立了微孔板通道模型，通过数值模拟得出节流孔长度与直径之比（l/d）在不超过1的前提下，l/d越大压差越大，空化效果越强，但是压差过大会降低流体流量，导致空化效率降低，需要适当增加出口压力保证空化效率。以上学者主要对孔板孔数、孔板厚度、孔间距、孔的形状以及孔径等参数进行研究，本文以此为基础，系列研究孔板通道截面积粗糙度及面积变化、孔分布方式及分散程度对气相体积流率的影响。

在孔板空化效应应用实验方面，主要应用于分解有机物、物理改性、杀菌消毒以及强化化合物制备等方面[12-15]。李志义等[16]通过碘化钾分解、酵母细胞破壁以及纤维素水解实验得出，水力空化对化学反应有良好强化作用。杨会中与张晓东等[17-18]通过实验证明甲基蓝（MB）对空化产生的·OH有高度亲和力，极易生成无色产物羟化亚甲基蓝（MBOH），利用紫外-可见光分光光度计测出空化后的亚甲基蓝溶液的吸收光谱，根据Beer定律得出亚甲基蓝溶液浓度的变化所消耗的MB的量即为空化产生的·OH的量，能够准确的反应空化效果的好坏。并以此为依据进行空化效果的验证。

通过Fluent软件[19-20]建立孔板空化装置仿真模型，将实际孔板通道参数代入，研究不同进出口压差下孔板通道截面积、孔分布方式、孔分散程度及通道表面粗糙度对气相体积流率的影响，并以亚甲基蓝溶液的空化效应为实验表征，验证上述影响规律，为孔板空化装置结构参数优化提供基础。

1孔板通道内空化特性数值模拟

1.1孔板通道建模

根据实验装置的结构尺寸建立数值模拟模型，剖视图如图1所示，为了便于观察流体状态，压力恢复区的管壁材料为有机玻璃，两端用法兰固定，更换孔板时便于拆装。

本次模拟所用的孔板类型如图2所示。

以孔板1为例，建立流體三维模型，如图3所示。

由图3所示，流体控制容积分为3部分：入口段、孔板通道、出口段。入口段直径为40mm，长度为30mm;孔板通道长度为5mm;出口段直径为50mm，长度为220mm。不同参数的孔板通道的结构尺寸各异，其余控制容积尺寸皆相同。

用前处理软件ICEMCFD对流体划分网格，以单孔通道为例，得到网格如图4所示。

网格质量会影响计算收敛性，网格质量正常取值在0～1之间，比值1为理想网格;角度要求网格取值在0°～90°之间，90°为理想网格，CFD要求角度达到18°以上。网格角度和质量检测如表1、2所示。

将ICEM生成的.msh格式网格文件导入Fluent中，各参数及边界条件设置如下：

1）求解形式：选择以压力为基础，时间类型为瞬态，重力加速度方向为y轴正方向，值为9.81m/s2，操作环境温度为300K，环境压力为标准大气压0.1MPa。

2）湍流模型设置：混合相模型为mixture，气相与液相之间有滑移，滑移模型为schillernaumann，阻力因子为brucato，粘性模型选择可实现模型（realizable k-ε），增强壁面处理方式选择thermal effects。

3）流体为水（waterliquid）和水蒸气（watervapor），水密度为998.2kg/m3，黏度为0.001kg/（m·s），水蒸气密度为0.02558kg/m3，黏度为1.26×10-6kg/（m·s）。

4）空化模型设置：质量传输的首相为水，次相为水蒸气，空化模型选择ZGB模型（zwartgerberbelamri），饱和蒸气压设置为3540Pa，自由蒸气温度为300K。空化核直径为1.0×10-6m，成核区域体积分数为0.0005，蒸发系数为50，凝结系数为0.01，湍动影响因子为0.39。

5）边界条件：压力入口的湍动强度设置为5%，水力直径设置为40mm，温度设置为300K。压力出口为0MPa，即大气压力，回流湍动强度为5%，回流水力直径设置为50mm，温度为300K。

6）求解方法：选择压力隐式算法（PISO），动量控制方程的离散格式采用计算精度较高的二阶迎风格式。

1.2孔板通道内流体空化特性

有机玻璃管气穴图像如图5所示：

数值模拟中的气相分布如图6所示：

2数值模拟

2.1通道截面积对空化效果的影响

为了研究通道截面积对空化效果的影响，建立2种增加通道截面积的模型，如图2中的孔板1、孔板2、孔板3、孔板4和孔板5所示，方式一：孔板通道直径不变为3mm，增加通道数量，分别为两孔（孔板2）和五孔（孔板3）;方式二：孔板通道数量不变，增加通道直径，使截面积分别增加到孔板1的2倍（孔板4）和5倍（孔板5），孔板1的通道截面积为2.25πmm2。

通过改变入口压力探究压差对孔板通道内气相体积流率的影响，分析不同压差和孔板通道类型对空化效果的影响，气相体积流率如表3所示。

气相体积流率与压差的关系如图7所示。

由图7可知，随着压差变化，孔板3和孔板5的气相体积流率明显高于其余类型的孔板，说明通道截面积的增加可以有效提高空化效果。压差增加使气相体积流率不断上升，并且孔板3的气相体积流率皆高于孔板5，孔板2的气相体积流率皆高于孔板4，说明多通道比单通道更利于提高空化器的空化效果。由于空化产生于孔板通道内固体壁面附近，相同通道截面积条件下，多通道比单通道与流体的接触面积更大，使流体获得更大的空化区域，各孔板通道内壁面积如表2所示。

由表4可知，孔板2比孔板4的通道面积大，孔板3比孔板5的通道面积大，所以孔板2的气相体积流率大于孔板4的，孔板3的气相体积流率大于孔板5的。

2.2孔分布方式对空化的影响

出口压力设置为0MPa，即大气压力，入口压力为0.2～1.0MPa，孔板3、孔板6和孔板7在不同压差条件下的气相体积流率如图7所示。

由图8可知，随着压差升高，3个孔板得到的氣相体积流率不断上升，空化效果由大到小依次为孔板3 、孔板7 、孔板6，但是除了在0.7MPa时孔板3的气相体积流率较大，其余在各压差下的差值均小于0.4×10-5m3/s，说明在孔间距相近的条件下，孔分布方式对空化效果影响较小。

2.3孔分散程度对空化的影响

不同压差条件下，不同孔分散程度的气相体积流率如图9所示。

由图9可知，随着压差升高，4种孔板得到的气相体积流率不断上升，各孔板的气相体积流率从大到小依次为孔板3、 孔板8 、孔板9 、孔板10，并且通过孔板3得到的气相体积流率明显高于其余孔板，说明孔分散程度越小，空化器的空化效果越好。

2.4孔板通道表面粗糙度对空化效果的影响

出口压力设置为0MPa，即大气压力，入口压力为0.2～1.0MPa，孔板1不同表面粗糙度通道得到的气相体积流率如图10所示。

由图10可知，表面粗糙度的增加提高了气相体积流率。在粗糙度为6.3、12.5、25μm时，气相体积流率近似，压差为0.2～0.6MPa，粗糙度为12.5μm孔板空化效果最好，压差为0.7～1.0MPa，粗糙度为6.3μm孔板空化效果最好，说明12.5μm的粗糙度适合低压空化，6.3μm的粗糙度适合高压空化，当粗糙度为25μm时，气相体积流率明显降低，说明粗糙度过大降低了空化效果。

3实验验证

3.1实验装置

为了研究不同孔板结构和入口压力对空化器空化效果的影响，以亚甲基蓝溶液作为指示剂进行空化实验，空化过程中产生的·OH与亚甲基蓝溶液中的MB反应使其脱色，通过吸光度来验证空化的效果。水力空化装置如图11所示。

水力空化流程图如图12所示。

溶液吸光度检测装置如图13所示。

3.2孔板通道截面积对空化效应的影响

在压差分别为0.3、0.5、0.7、0.9MPa条件下，分别用孔板1、孔板2、孔板3、孔板4和孔板5对亚甲基蓝溶液进行空化实验，空化时间为60min，每个压力下分别取3个样本检测吸光度取平均值，计算出·OH的浓度，如表3所示。

不同压差条件下，各孔板得到的·OH浓度变化曲线如图14所示。

由图14可知，相对于孔板1，2种增加通道截面积的方式皆提高了·OH浓度，相同通道截面积条件下，孔板2的得到·OH浓度要高于孔板4的，孔板3得到·OH浓度要高于孔板5的，孔板2和孔板4得到的·OH浓度差为0～1.34 μg/L，孔板3和孔板5得到的·OH浓度差为1.33～4.66 μg/L，说明多通道孔板的空化效应更强。

3.3孔分布方式对空化效应的影响

以孔板3作为参考，在压差分别为0.3、0.5、0.7、0.9MPa条件下用孔板6和孔板7对MB溶液进行空化实验，孔板6的孔为一字型分布，孔板7为有中心孔的环形均匀分布，空化时间为60min，得到的·OH浓度变化曲线如图15所示。

由图15可知，随着压差增加得到的·OH浓度不断增加，通过孔板6和孔板7得到的·OH浓度皆比孔板3的低，在压差为0.9MPa时得到的·OH浓度最大，并且孔板3比孔板6的高1.06μg/L，比孔板7的高0.66μg/L，说明孔间距相同的条件下，孔分布方式的改变降低了空化效果，但是影响较小。

3.4孔分散程度对空化效应的影响

孔板3、孔板8、孔板9和孔板10的孔分散程度依次增加，在压差分别为0.3、0.5、0.7、0.9MPa条件下用各孔板对MB溶液进行空化实验，空化时间为60min，得到·OH浓度变化曲线如图16所示。

由图16可知，随着压差增加，·OH浓度不断增加，孔分散程度越大得到的·OH浓度越小，各孔板空化器得到的·OH浓度由大到小依次为孔板3、孔板8、孔板9、孔板10，并且孔板3得到的·OH浓度明显比其余孔板高，说明孔分散程度越小空化效果越好，孔分散到一定程度时空化效果相似。

通过以上实验，所得的孔通道截面积、孔的分布方式以及孔分散程度对空化效应影响规律与仿真的结果相符，故认为仿真结果可信。

4结论

采用数值模拟和实验验证的方法，研究了孔板通道结构参数对空化效应的影响规律，得出以下结论：

1）在0.3～0.9MPa范围内孔板通道内气相体积流率随着压差增加而增加;

2）相同通道截面积条件下，气相体积流率大小为孔板2大于孔板4，孔板3大于孔板5，表明多通道比单通道的空化效果好;

3）随着压差增加，孔板3和孔板5的气相体积流率明显高于其余类型的孔板，说明通道截面积的增加可以有效提高空化效果;

4）孔间距相近时，孔分布方式对空化效果无明显影响;孔分布方式不变时，孔分散程度越小對流体的空化效果越好。

5）孔板通道表面低粗糙度可以促进空化，高粗糙度抑制空化，压差在0.2～0.6MPa时最佳值为12.5μm，在0.7～1.0MPa时最佳值为6.3μm。

参 考 文 献：

[1]JOSHI R， GOGATE P R. Degradation of Dichlorvos Using Hydrodynamic Cavitation Based Treatment Strategies[J]. Ultrasonics Sonochemistry， 2012， 19（3）： 532.

[2]MANISHA V， BAGAL， PARAG R. Degradation of 2，4dinitrophenol Using A Combination of Hydrodynamic Cavitation， Chemical and Advanced Oxidation Processes[J]. UltrasonicsSonochemistry， 2013， 20（5）： 1226.

[3]VIRENDRA K S， MANAV A R， AQEEL A M， et al. Effect of Geometry of Hydrodynamically Cavitating Device on Degradation of OrangeG[J]. UltrasonicsSonochemistry， 2013， 20（1）： 345.

[4]ILGYU L， HAN J P. The Effects of Wasteactivated Sludge Pretreatment Using Hydrodynamic Cavitation for Methane Production[J]. UltrasonicsSonochemistry， 2013， 20（6）： 1450.

[5]邵俊鹏，刘亚楠， 文丘里管内空化效果影响因素研究[J].哈尔滨理工大学学报，2020，25（3）：122.

SHAO Junpeng， LIU Ya’nan， Study on Factors Affecting Cavitation Effect in Venturi Tube[J].Journal of Harbin University of Science and Technology，2020，25（3）：122.

[6]袁惠新，王赟冰，付双成.空化技术研究现状与发展趋势[J].化工机械，2019，46（2）：115.

YUAN Huixin， WANG Yunbing， FU Shuangcheng. Research Status and Development Trend of Cavitation Technology[J]. Chemical Machinery，2019，46（2）：115.

[7]王永广.水力空化水处理设备结构设计[D].天津：天津理工大学， 2013.

[8]韩伟.空化区掺气泡与空泡相互作用及紊动空化特性的试验研究和数值模拟[D].杭州：浙江工业大学， 2013.

[9]钱锦远.含阻系统中多孔板的流动分析及其工业应用研究[D].杭州：浙江大学， 2016.

[10]ALISTER S， VIVEK V R. Modelling of Hydrodynamic Cavitation with Orifice： Influence of Different Orifice Designs[J]. Chemical Engineering Research and Design， 2018， 136 ： 698.

[11]JIN Zhijiang， GAO Zhixin， LI Xiaojuan et al. Cavitating Flow through A MicroOrifice[J]. Micromachines， 2019， 10（3）： 191.

[12]MANICKAM S， ANIRUDDHA B P. Wastewater Treatment： A Novel Energy Efficient Hydrodynamic Cavitational Technique[J]. UltrasonicsSonochemistry， 2002， 9（3） ： 123.

[13]田甜， 江中洋， 王中江， 等.射流空化对大豆分离蛋白-磷脂酰胆碱乳化特性的影响[J].食品科学，2020，41（3）：99.

TIAN Tian， JIANG Zhongyang， WANG Zhongjiang， et al. Effect of Jet Cavitation on Soy Protein IsolatePhosphatidylcholine Emulsion Properties[J].Food Science， 2020， 41（3）： 99.

[14]BURZIO E， BERSANI F， CARIDI G， et al. Water Disinfection by Orificeinduced Hydrodynamic Cavitation.[J]. Ultrasonics Sonochemistry，2020， 60： 104740.

[15]MANDAR P B， PARAG R G， ANIRUDDHA B P， et al. Hydrodynamic Cavitation as A Novel Approach for Delignification of Wheat Straw for Paper Manufacturing[J]. UltrasonicsSonochemistry， 2014， 21（1）： 162.

[16]李志义， 张晓冬， 刘学武， 等. 水力空化及其对化工过程的强化作用[J]. 化学工程， 2004（4）： 27.

LI Zhiyi， ZHANG Xiaodong， LIU Xuewu， et al. Hydraulic Cavitation and Its Strengthening Effect on Chemical Process [J]. Chemical Engineering， 2004 （4）： 27.

[17]楊会中. 水力空化强化效应实验研究[D].大连：大连理工大学， 2006.

[18]张晓冬， 杨会中， 李志义.水力空化强度与空化自由基产量的关系[J]. 化工学报， 2007（1）： 27.

ZHANG Xiaodong， YANG Huizhong， LI Zhiyi. Relationship between Strength of Hydrodynamic Cavitation and Amount of Induced Hydroxyl Radical[J].Ciesc Journal， 2007（1）： 27.

[19]邵俊鹏，徐龙飞，孙桂涛.伺服驱动液压缸静压导向套温度场[J].哈尔滨理工大学学报，2020，25（4）：56.

SHAO Junpeng， XU Longfei， SUN Guitao. Temperature Field of Hydrostatic Guide Sleeve of Servo Driven Hydraulic Cylinder [J]. Journal of Harbin University of Technology， 2020，25 （4）： 56.

[20]杨春梅，曹炳章.空气静压轴承的参数设计与性能优化[J].哈尔滨理工大学学报，2020，25（4）：48.

YANG Chunmei， CAO Bingzhang. Parameter Design and Performance Optimization of Aerostatic Bearings [J]. Journal of Harbin University of Technology， 2020， 25 （4）： 48.

（编辑：温泽宇）