探究串联文丘里管空化特性

韩桂华　杨旭东　陈德裕　李大尉　赵孟石　裴禹　姚鸿宾　姚立明

摘要：為了研究串联文丘里管的空化特性，采用数值模拟方法，建立文丘里管空化模型与压力损失模型，基于入口压力和水温变化进行单级、多级串联文丘里管内空化效果演变过程的研究;以平均气含率为空化效果表征，得到文丘里管串联级数与空化特性的关系，得到出口锥角与文丘里管的匹配关系，得到单级和多级串联之间空化效果的演变规律。提出了以空化效应的介质（水）的性质——电导率为空化实验表征，验证串联文丘里管的空化特性。实验结果表明：实验压力下（<1 MPa）单级文丘里管水样的电导率大于串联管，随着空化时间的增加水样的电导率增加;电导率可以作为表征空化效果参数之一。为串联文丘里管空化与压力、温度的关系提供指导，为空化效果的实验表征提供新的方法。

关键词：串联文丘里管;空化特性;压力损失模型;动态空化模型;平均气含率;电导率

DOI：10.15938/j.jhust.2022.02.007

中图分类号： O427.4

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2022）02-0055-08

Research on Cavitation Characteristics of Series Venturi

HAN Gui-hua YANG Xu-dong CHEN De-yu LI Da-wei ZHAO Meng-shi PEI Yu YAO Hong-bin YAO Li-ming

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

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

3.Institute of Advanced Technology Heilongjiang Academy of Sciences， Harbin 150020， China）

Abstract：In order to study the cavitation characteristics of series venturi， a cavitation model of venturi is established in this paper. Based on the change of inlet pressure and water temperature， the evolution process of cavitation effect in single-stage and multi-stage series venturi is studied. Taking the average gas holdup as the characterization of cavitation effect， the relationship between the series number of Venturi tubes and cavitation characteristics is obtained， the matching relationship between the exit cone angle and Venturi tube is obtained， and the evolution law of cavitation effect between single-stage and multi-stage series is obtained. In order to verify the cavitation characteristics of series Venturi tubes， the conductivity of cavitation medium （water） is used as the experimental characterization. The experimental results show that： under the experimental pressure （< 1MPa）， the conductivity of single-stage venturi water sample is greater than that of series tube， and the conductivity of water sample increases with the increase of cavitation time; the conductivity can be used as one of the parameters to characterize the cavitation effect. This paper provides guidance for the relationship between cavitation and pressure and temperature， and provides a new method for the experimental characterization of cavitation effect.

Keywords：venturi tube in tandem; cavitation characteristics; pressure loss model; dynamic cavitation model; average gas holdup; electrical conductivity

0前言

近几年文丘里管的空化试验应用于各领域，空化效应在污水、污泥处理，大豆蛋白分离，溶液杀菌，有机物降解等方面有所应用[1-4]。在结构参数方面进行了管道进出口锥角、喉径大小、喉部长度等的研究[5-6];其中文献8通过数值模拟和亚甲基蓝空化试验指出单级管空化效果优于串联管[7]。但文献9提出：与单级管相比，串联管可能有更高的空化效果[8]。本文针对串联文丘里管的空化特性进行研究以获得单级与串联间空化效果的关系。

在数值模拟方面，空化效果的表征多采用空化数、最大气含率来对比空化效果[9-10]。空化数需要大量参数测量，且各学者对参数的定义有所差异;最大气含率是单位体积内气相密度最大值，只反映流体域内气相密度最大值及位置，空化流中气相分布不均，因此最大气含率无法较好表示空化效果。本文采用平均气含率进行效果分析。

在实验检测方面，利用空化过程中产生的羟基自由基·OH[11]，与香豆素的反应检测荧光度变化[12]，与甲基蓝反应检测吸光度的变化[13]，与罗丹明B反应检测降解率[14]，这些反应根据生成物的量对·OH的浓度定量分析。本文拟采用一种新的检测手段，利用空化介质在空化效应下性质（电导率）的变化进行效果分析。电导率作为评判水溶液参数的重要标准，在探究植物根系营养吸收时得到广泛应用[15]。文丘里管发生空化时由于高温高压会打开水分子间的O-H键，使水分解为氢氧根离子和氢离子，而且在液体中也会产生一些其他的自由基，乃至一定量新的带电粒子，从而溶液的电导率会有明显变化[16]。

本文通过推导压力损失和水气两相动态空化模型，进行文丘里管数值模拟， 以平均气含率为表征参数。以温度、出口锥角、压力为输入条件研究串联文丘里管的空化特性，通过实验验证获得单级与串联管间的关系。

1理论建模

文丘里管主要由入口收缩管、喉管以及出口扩张管组成，如图1所示。这三段的尺寸影响了空化过程中的流体的动能，入口收缩角和出口扩张角主要影响了流体流过文丘里管内压力的损失，而喉口的直径直接影响着空化的强度。

假设文丘里管的流体为一维定常流动且流体是理想不可压缩流体，则根据连续性方程：

1.1压力损失模型

空化气泡是压力的函数，通过对文丘里管内的压力损失模型进行推导，为文丘里管进行瞬态空化过程模拟提供理论的基础。

压力损失模型包括摩擦压力损失和气液两相流动压力损失。可根据连续方程以及文丘里管结构以及文丘里管轴向微分单元做动量衡算：

气液两相混合流动时的压力损失拥有2个阶段：空泡在局部的压力梯度下溃灭的压力损失阶段和液相被加速的阶段及液相减速的阶段。空泡在局部高压的作用下溃灭时所造成的压力损失Δp：

液相在喉口处被加速时的压力损失，由Yung模型[17]计算：

1.2气液两相动态空化模型

在使用Fluent进行文丘里管数值模拟时，由于选用的模拟条件属于气液间质量相互传递的动态空化过程，所以采用动态空化模型。动态空化模型的基础是一种充分考虑到液体的表面张力、非凝结气体浓度、液体汽化压力等多因素耦合分析的求解液体空化两相流质量传递的模型（全空化模型）。

全空化模型的理论基础：决定水蒸汽质量份数（以下称质量气含率）的组分输运方程为

2数值模拟

2.1瞬态空化过程模拟与验证

根据1.2气液两相动态空化模型，进行文丘里管瞬态空化过程模拟。瞬态空化过程模拟可以为文丘里管的数值模拟打下基础数据，再用稳态过程进行定量数据分析。

结合上述进行网格划分和边界条件的设置，设计以下固定参数：进出口管径为40mm，喉径为8mm，喉部长度为10mm，管长140mm，进口锥角40°。设计不同出口錐角、入口压力、空化温度以及串联级数进行模拟仿真，以每隔0.05s为一个时间节点截取这个时刻的空化气含率云图。

2.2基于入口压力的数值模拟

为了观察单级与串联文丘里管的空化过程，采用Realizable模型、Mixture的多相流模型来进行Fluent模拟。采用水为流体介质，凝固点为0℃，沸点为100℃，密度为1g/cm，粘度系数为0.895×10Pa·s。模拟条件为入口锥角为40°、出口锥角20°、水温298.15K。以进出口压差0.3、0.5、1.0、2.0MPa为代表，得到单级管和串联管气含率云图如图2所示。

从图2可知，随着压力变化，串联管始终是只发生了一级空化，随着压力的上升文丘里管内的气含率是在不断上升的，当压力小于1.0MPa时，单级管的空化效果优于串联管，当压力大于1.0MPa时，串联的空化效果优于单级管串联管。倾向于采用“平均气含率”作为文丘里管空化效果的表征，这样更能真实表达文丘里管内部整体的空化效果。

不同入口压力下文丘里管内的平均气含率变化数据，见表1。

从表1可知，随着压差的升高文丘里管内的平均气含率是在不断的上升，而且随着压力梯度变化，平均气含率变化的幅度也是逐渐增大的。为了使得表征方便将上述表数据绘制成如图3所示。

分析表1、图3可以得出：压差0.3～1.0MPa时，单级管的效果优于串联管，在1.0～6.0MPa正相反。因为小于1.0MPa时单级管内压降较大，更易达到空化发生压力;大于1.0MPa时压力较大，沿程的压力损失相对较小，空化能力（压降更容易接近饱和蒸气压）和空泡破灭的能力都优于单级的文丘里管;在入口压力为6.0MPa之后，再增加入口压力，串联文丘里管内的平均气含率逐渐的下降，而单级文丘里管的平均气含率还在逐渐的上升，12.0MPa时气含率达到最大值;这是由于随着入口压力的不断升高水流速度加快，这时水流流速增大会带走一部分还未破灭的气泡导致气含率下降。

2.3基于串联级数的数值模拟

在与2.2相同实验条件下进行多级文丘里管串联Fluent模拟，进出口压差分别取0.5、1.0、2.0MPa的二、三、四级串联文丘里管气含率云图如下图4所示。

相同条件压力、温度下进行多级管空化效果分析，见表2。

通过云图可知随着压力变化和串联级数的增加，串联管内也还是只发生了一级空化。从表2可知，随着串联管压差的增加，管的空化效果在不断增强，管内平均气含率呈上升趋势;而随着串联管级数增加，管的空化效果逐渐下降。

2.4基于出口锥角的数值模拟

在入口压力为0.5MPa、水温为298.15K，得到不同出口锥角串联管模型，数据如表3所示。

从表3可知，管内的平均气含率随着出口锥角的变化呈现出先增大后减小的趋势。这是因为当文丘里管的出口锥角较小时，此时影响空化效果的主要因素为饱和蒸汽压力，因为此时文丘里管的空化发生区域（出口扩张段）的压力更加接近饱和蒸汽压力，此时的空化能力更强。单级管在8°时，串联管在15°时达到最大值。但之后继续增大出口锥角的话，就要考虑此时饱和蒸汽压力和水流速度对文丘里管空化效果的影响了。由于文丘里管的空化能力相对较弱，且空化水射流带走了一部分并未完全破灭的空泡，从而使得此时的平均气含率更小。

2.5基于温度的数值

入口压力为0.5MPa，入口锥角为40°，出口锥角20°，温度分别取5、25、45、65℃，进行单级与二级串联管的模拟，数据见表4。

从表4可知，单级与串联管内的空化效果随着温度的上升，文丘里管内的空化效果是在不断的增强，但增强幅度比较小，是压力变化引起平均气含率变化的1/10。上述数据可知在温度为5℃和65℃的时候，此时水的饱和蒸汽压力相对较低，压降值需要很大才能产生空化，此时文丘里管内的空化发生能力较弱，所以此时的平均气含率变化相对较小。但是随着水温的不断上升，饱和蒸汽压力也在不断上升，此时发生空化的能力也在逐渐的上升，也就是文丘里管内喉部的局部低压更接近于饱和蒸汽压，但是总体来讲，文丘里管内温度的变化对空化效果的影响相对来说较小。

3实验研究

3.1实验装置

电导率测量原理：根据超声空化的研究结论，空化效应所产生的高温高压、微射流和冲击波等是溶液性质（如电导率）变化的主要原因[18]，且电导率受温度变化影响[19]。但是，对于电导率随超声功率及其作用时间的变化关系却存在一定的分歧[20]。本次实验探讨电导率与水力空化效应的关系。为消除温度对电导率的影响，将空化水样冷却至室温再进行电导率测量。

搭建实验装置如图5所示，实验装置由电机水泵、水箱、流量计、入口压力表、出口压力表、空化器以及各部分管道所组成。

3.2实验参数

实验是在相同流量条件下完成的，根据实验数据，单级管的入口压力为0.5MPa，串联管的入口压力为0.3MPa，二者参数见表5。

实验过程中存在溶液与文丘里管温度升高现象串联文丘里管在二阶管喉部处温升更为显著，而单级文丘里管较快串联文丘里管温升较快。为验证实验结果准确性，将实验条件作为数值模拟的初始条件进行数值模拟，得到仿真云图，见图6所示。

分析图6：对比单级和串联文丘里管的压力云图可知，串联文丘里管在第一段内会产生憋压现象导致压力和能量损失较大，空化效果下降，气含率云图差异显著。气含率云图表征发生空化的位置与实验文丘里管温升变化最大处相对应。

3.3电导率与时间的关系

选取实验管，参数见表5。按空化时长10、20、30、50、60min进行取样，取未空化纯水设置对照组，并记录下常温时水样的电导率，见表6所示。

从表6可知，1）空化过程中水的电导率会呈现随空化时间增加逐渐增大的趋势;2）实验压力条件下，以电导率为表征参数，串联管的空化效果优于单级管。与以平均气含率为数值模拟表征参数的仿真结果一致。

电导率测试中水温度基本不变（所有水样保持在室温水平），可以忽略热效应的影响，水力空化分为稳态空化和瞬态空化，通过理论估算和实际的声化学研究已表明，当液体媒质中发生瞬态空化时，在空化泡的内部和周围将产生高温高压，并伴有速度极快的微射流（非均相）或强大的冲击波（均相），其温度可达5000K-以上，温度变化率高达 109 K/s，压力可高达数百乃至上千个大气压。这就为在一般条件下难以实现或不可能实现的化学反应，提供了一种新的非常特殊的物理环境，开启了新的化学反应通道。瞬态空化产生的高温使水裂解为·OH 和·H 自由基，而高压释放所产生的微射流会破坏水中的 HCO、H和其他一些矿物质等所形成的水合离子，从而使离子数目增加。因此随着时间增加，离子數目增加，电导率也相应增加。

4结论

1）数值模拟结果表明：在入口压力小于1MPa 时，单级管内水的平均气含率高于串联文丘里管;大于1MPa时，单级管内水的平均气含率低于串联管;管的串联级数增加平均气含率降低;空化模拟温度对管内水的平均气含率影响不明显，为压力影响数量级的1/10。

2）在实验压力下（<1MPa）单级文丘里管水样的电导率大于串联管，随着空化时间的增加水样的电导率增加。

3）电导率可以作为表征空化效果参数之一。

参 考 文 献：

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（编辑：温泽宇）