第２３卷第１０期２００６年１０月２８日
计算机与应用化李
ＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉ８ｔｒ＿ｙ
Ｖ０１．２３．Ｎｏ．１０
０ｃｔｏｂｅｒ．２００６
王智勇，张晓冬，杨会中
（大连理工大学化工学院，辽宁，大连，１１６０１２）
摘要：基于ＦＬＵＥＮＴ软件，采用标准☆嚼模型和空化泡动力学模型，对三种不同几何形状的文丘里管内空化流场进行数值模拟，计算了文丘里管内空化区的空化数、压力分布和汽含率分布，研究了操作条件、文丘里管的结构形式对空化效果的影响。结果表明，理论计算的空化区汽含率分布与实验拍摄的空化云雾区图像有较好的吻合性；水力空化装置的操作条件，以及文丘里管的结构形式对空化效果有着明显的影响。 jpeg 图像关键词：水力空化；文丘里管；流场；数值模拟；汽含率分布
中圈分类号：ＴＶ１３ｌ
文献标识码：Ａ
文章编号：１００ｌ＿４１６０（２００６）１０－９３９．９４２
ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃａｖｉｔａｔｉｏｎｎＯｗ６ｅｌｄｉｎｔｈｅｖｅｎｔｕｒｉ
ＷａｎｇＺｈｉｙｏｎｇ，Ｚｈａｎｇ×ｉａＯｄｏｎｇａｎｄＹａｎｇＨｕｉｚｈｏｎｇ
2009年10月1日（ＳｃｈｏｏＩｏｆＣｈｅｍｉｃａＩＥｎｇｉｎｅｅｒ．ｎｇ，Ｄａ¨ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏＩｏｇｙ，ＤａＩｉａｎ，１１６０１２，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａ８ｅｄ仰ｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｎｕｉｄｄｙｎ砌ｉｃｓｓｏｈａｒｅＦＬＵＥＮＴ，ｔｈｅｃ盯ｉｔａｔｉｏｎｎｏｗｆｉｅｌｄ８ｉｎｖｅｎｔｕｒｉｔｕｂｅ８ｗｉｔｈｄｉ虢ｒｅｎｔｇｅｏ－ｍｅｔｒｉｃａｌｆｏ珊ｗｅｒｅｓｉｍｕｌ砒ｅｄａｄｏｐｔｉｎｇｔｌｌｅｓｔａｎｄａｒｄ矗·Ｆｅｐｓｉｌｏｎｍｏｄｅｌａｎｄｃａｖｉｔａｔｉｏｎｂ
ｕｂｂｌｅｄｙｎａｍｉｃｓ．Ｔｈｅｃａｖｉｔａｔｉｏｎｎｕｍｂｅｒ，ｔｈｅｄｉ８－ｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐ托ｓｓｕ陀ａｎｄｔｌｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｖａｐｏｒｂｕｂｂｌｅｆｈｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃａｖｉｔａｔｉｏｎａｒｅ鹊ｉｎｔｈｅｖｅｎｔｕｒｉ８ｗｅ陀ｃｏｍｐｕｔｅｄ．Ｔｈｅｉｎｎｕｅｎｃｅｏｆｏｐｅｍｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｓｔｎｌｃｔｕｒｅｏｆｖｅｎｔｕｒｉｔｕｂｅｓｗｅｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅ阳ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｖａｐｏｒｂｕｂ·ｂＩｅｆｒ８ｃｔｉｏｎｉｓｓｉｍｉｌａｒｔｏｔｈｅｐｉｃｔｕｒｅｏｆｃａｖｉｔａｔｉｏｎｏｂｔａｉｎｅｄｆ如ｍｅｘｐｅｒｉｍｅｎ协，ｔＩＩｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅ８ｔｎｌｃｔｕｒｅｏｆｖｅｎｔｕｒｉｔｕｂｅｓｈａｖｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｆｆｅｃｔｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｃａｖｉｔａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｃａｖｉｔ砒ｉｏｎｓ，ｖｅｎｔｕｒｉｔｕｂｅ，ｆｌｏｗｆｉｅｌｄ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｖａｐｏｒｂｕｂｂｌｅｆｈｃｔｉｏｎ
ＷａｎｇＺＹ，ＺｈａｎｇＸＤａｎｄＹａｎｇＨＺ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｅａｖｉｔａｔｉｏｎｎｏｗｆｉｅｌｄｉｎｔｈｅｖｅｎｔｕｒｉ．Ｃｏｍｐｕｔ占ｒｓａｎｄＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００６，２３（１０）：９３９·９４２．
１引言
空化是由于液体中的局部低压（低于相应温度下该液体的饱和蒸汽压）使液体气化而引发的微气泡（或称气核）爆发性生长现象…。根据空化产生的方法一般可以分为４种类型：声空化、光空化、粒子空化和水力空化。其中，水力空化现象发生在很多场合，例如在有管径急剧变化的管道和水力机械中。水力空化所形成的异乎寻常的高温、高压、强冲击波、高速微射流等极端条件，可以强化许多化工工艺过程，在化工、石油、生物化工、医药、食品、环保等行业有广阔的应用前景心’３Ｊ。水力空化装置主要有文丘里管和孔板两种，水力空化对过程的强化效果取决于空化流场的强度，本文的研究对象是文丘里管中的水力空化。随着计算流体力学（ＣＦＤ）的发展，数值模拟技术以其高效、低成本、能适应多种可变因素等优势在越来越多的领域得到推广和应用。本文使用ＣＦＤ软件，针对几种不同几何形状的文丘里管对其空化流场进行模拟，研究不同操作条件下的空化数和蒸汽汽含率分布，为水力空化装置的优化设计提供依据。 ２空化数
空化数是描述空化初生和空化状态的一个重要
参数，其定义为：
ｃ。：学（１）
知俨
式中，ｐ和ｙ分别为液体中某一选定点的绝对压强和流速，ｐ。为某一温度下的液体饱和蒸汽压，ｐ为液体密度。
空化数主要有以下几个特点‘引：空化数与管中
收稿日期：２００６－０１旬８；修回日期：２００６Ⅲ４·ｌＯ
基金资助：国家自然科学基金（１０４７２０２４）
作者简介：王智勇（１９８０一），男，在读硕士研究生；导师：张晓冬（联系人）
王智勇等：文丘里管中空化流场的数值模拟
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图ｌ文丘里管结构尺寸
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图２人口压力与空化数和汽含率的关系
里管的结构有关。本文对图４所示的三种不同喉部结构的文丘里管的空化流场进行模拟，分别计算其空化数、压力分布和汽含率分布规律，并作以比较，由此得出有利于空化强化效应的文丘里管最优的结构形式。
４．２．１空化数比较
如前所述，空化数是描述空化初生和空化状态的重要参数，水力空化装置的结构尺寸对空化数有很强的影响旧】。对文丘里管而言，其喉部结构的变化能够引起空化数的变化，从而影响空化效果。根据式（１），计算图４三种结构文丘里管喉部下游空化区的空化数，计算结果列于表１。比较可知，在喉部直径相同情况下，喉部长度愈小其空化数就愈小；在喉部长度相同情况下，突变的收缩－扩张截面比流线型过渡的截面空化数要小，即ｂ管的空化数最小，ａ管的其次，ｃ管的空化数最大。因此，可以预测ｂ管的空化效果应最强烈。
４．２．２压力分布
在入口压力为Ｏ．５ＭＰａ、出口压力为０．１ＭＰａ条件下，分别对图４中（ａ）、（ｂ）、（ｃ）三种结构的文丘里管计算其空化流场的压力分布，结果如图５所示。从图中可看出，在文丘里管的收缩段，压力沿流动方向逐渐降低，压力最低点的出现并不是在喉部，而是在喉部出口的缩颈处。当压力小于液体饱和蒸汽压时即发生空化，并且在空化区内越靠近管壁处压力越低。在文丘里管的扩张段压力逐渐升高，但最终的恢复压力小于初始压力，这主要是由于空化泡的溃灭耗散能量以及阻力损失造成的。比较三种文丘里管的压力变化梯度可知，（ａ）、（ｃ）管的压力变化较缓，（ｂ）管的压力变化急剧，喉部的降压幅度较大，低压区范围较大，更有利于空化的发生。
Ｆｉ昏３Ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａ６０ｎｗｉｔｈｔｈｅ弓耳ｐｅｒｉｍｅｎｔ．
图３文丘里管空化区模拟与实验的比较
卜／１ｒ、、—一一１卜．／１ｌ／—、ＩＬ／４＼．¨／——、、、ｌ（ａ）（ｂ）（ｃ）
Ｆｉ昏４Ｔｈｅｔｙｐｅｓｏｆ￡ｈｅｖｅｎｃｕｒｉ．
图４文丘里管结构类型
表ｌ管型与空化数的关系
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图５文丘里管中压力分布
４．２．３汽含率分布
空化发生时，由于液体的汽化以及含有的微小气化核心成长为气泡，致使液体中出现大量的空化
泡，形成液体．空化泡共存的气液两相流。随着空化
９４２计算机与应用化季
程度的加剧，空化泡的大小和数量都会增加，它在液体中占的比例增大。因此，在研究空化效应时，液体中汽含率是一个重要参数。
在相同操作参数条件下，对图４所示的三种文丘里管模拟计算得出空化区汽含率分布，如图６所示。可以看出，文丘里管（ｂ）的空化区最大，相应的汽含率也最高，表明文丘里管（ｂ）的空化效果最强烈。
Ｆｉｇ．６ｎｅｄｉＢｔｍｍｔｉ蚰ｏｆＶａｐｏｒｂｕｂｂｌｅｆｈｃｔｉｏｎｉｎｔｌｌｅｖ蚰ｔＩＩｒｉ８．
图６文丘里管空化区汽含率分布
５结论
本文使用基于有限体积法的计算流体力学软件ＦＬＵＥＮＴ，采用标准的．｜｝噌模型和空化泡动力学模型，计算文丘里管内的空化流场。研究了操作条件、文丘里管的结构形式对空化效果的影响，通过对三种不同结构类型的文丘里管内空化区的空化数、压力分布和汽含率分布的分析，结论如下：
（１）对于一定结构尺寸的文丘里管，提高入口压力可使空化数减小，同时汽含率随之增大，空化强度增强。
欧债危机论文（２）在管径一定情况下，减小文丘里管喉管长度，使喉部的收缩－扩张更加急剧，会引起空化数减小、压力变化急剧、汽含率增加，空化强度增强。
（３）在喉部长度相同情况下，突变的收缩一扩张截面比流线型过渡的截面的空化效果要好。
上述模拟计算所得结论是根据文丘里管内空化流场的空化数、压力分布和汽含率分布做出的。实际上影响空化状态和程度的因素很多，除上述外，还有阻力损失、水体中微粒杂质、液体温度、黏度等因素。而且，空化具有微观、瞬时、随机、多相的复杂特点。因此，考虑综合影响因素准确描述空化流场还需进一步深入研究和探讨。
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文丘里管中空化流场的数值模拟
作者：王智勇， 张晓冬， 杨会中， Wang Zhiyong， Zhang Xiaodong， Yang Huizhong
作者单位：大连理工大学化工学院，辽宁，大连,116012
刊名：
计算机与应用化学
英文刊名：COMPUTERS AND APPLIED CHEMISTRY
年，卷(期)：2006,23(10)
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