超聲頻率和管型對(duì)超聲空化效應(yīng)的影響研究*

張艾萍 楊 釗 夏榮濤 丁 權(quán) 張媛媛

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

超聲頻率和管型對(duì)超聲空化效應(yīng)的影響研究*

張艾萍**楊 釗 夏榮濤 丁 權(quán) 張媛媛

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

利用FLUENT軟件對(duì)不同換熱管型在不同頻率下的空化效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)比較換熱管中的汽含率，反映空化效應(yīng)的優(yōu)劣,得出最佳的空化頻率。結(jié)果表明：圓管、波紋管、波節(jié)管在超聲頻率為20kHz時(shí)空化效果最佳，橫紋管在超聲頻率20～25kHz范圍內(nèi)的空化效果最佳。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的換熱管道，橫紋管的幾何結(jié)構(gòu)更有利于空化的產(chǎn)生，其次是波紋管和圓管，波節(jié)管最不利于空化的產(chǎn)生

換熱管 超聲波頻率 超聲空化 數(shù)值模擬

在當(dāng)今資源緊缺和環(huán)境惡化的現(xiàn)狀下，節(jié)約資源顯得越來(lái)越重要。這也使得換熱器除垢技術(shù)需不斷地更新發(fā)展，以減少對(duì)能源的浪費(fèi)。由于超聲波除垢具有能耗低、無(wú)污染等特點(diǎn)，是一項(xiàng)安全、節(jié)能、符合國(guó)家環(huán)保政策的新技術(shù)，并在工業(yè)應(yīng)用中逐漸發(fā)展成熟，因此，該技術(shù)在不同行業(yè)中推廣開來(lái)[1，2]。在超聲波除垢技術(shù)中，超聲空化效應(yīng)起到了重要作用，也直接影響了除垢效果的優(yōu)劣，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超聲空化的研究也在逐漸深入。Liu L Y等研究了水中不凝結(jié)性氣體對(duì)超聲空化的影響[3，4]，研究表明不凝結(jié)性氣體含量小的流體超聲空化效果較好，并對(duì)比了不同不凝結(jié)性氣體含量下的空化程度。García-Atance Fatjó G等研究了超聲波參數(shù)對(duì)空化強(qiáng)度和金屬表面氣蝕的影響[5]。Niemczewski B研究了堿性溶液溫度對(duì)超聲空化的影響，發(fā)現(xiàn)堿性溶液諸如碳鈣鹽、硅酸鹽和磷酸鹽溶液的最佳空化溫度為60℃，并比較了60℃時(shí)不同頻率對(duì)空化效果的影響[6，7]。劉麗艷等研究了固體顆粒對(duì)超聲空化場(chǎng)的影響，表明在流體中加入固體顆粒不但提高了超聲空化強(qiáng)度而且改善了聲場(chǎng)的均勻性[8]。李林等利用Matlab進(jìn)行編程，研究了超聲波參數(shù)及流體介質(zhì)參數(shù)對(duì)單個(gè)空化泡的影響，低頻率高功率對(duì)于超聲空化泡的產(chǎn)生比較有利，流體粘度越小、不可壓縮氣體含量越高，空化效果越好[9～12]。曹玉葉等研究了雙空化泡的運(yùn)動(dòng)特性[13，14]。賁永光等實(shí)驗(yàn)分析了單頻和復(fù)合頻對(duì)空化效果的影響[15]。盧行芳的研究表明，超聲波在傳播過(guò)程中存在熱效應(yīng)，這種熱效應(yīng)會(huì)使傳播介質(zhì)溫度升高[16]。劉秀梅等研究了不同表面張力、頻率、氣泡初始半徑、環(huán)境壓力對(duì)空化泡運(yùn)動(dòng)的影響[17]。王萍輝在對(duì)超聲空化的有關(guān)理論進(jìn)行了研究的基礎(chǔ)上，研究、分析與總結(jié)了影響超聲空化液體的若干物理參數(shù)、聲場(chǎng)參數(shù)及環(huán)境壓力等多種因素[18]。孫冰和張會(huì)臣運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)磁致伸縮超聲振動(dòng)儀中超聲空化的影響因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)低聲壓、較低聲壓幅值和不可壓縮氣體含量較大時(shí)，空化效果較好[19]。王智勇運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)文丘里管的空化效果和影響因素進(jìn)行了研究[20]。張艾萍等通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了不同管型在不同溫度、入口速度時(shí)，超聲波在20kHz下的傳播特性，數(shù)值計(jì)算了管道內(nèi)某一點(diǎn)的空化情況[21，22]。

綜上，雖然諸多學(xué)者進(jìn)行了超聲空化泡影響因素的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究[23]。但是，超聲空化泡并不能完全表示超聲波在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中的空化效果[24]。而對(duì)于強(qiáng)化換熱管整體空化效果的研究則更少。因此筆者主要從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用著手，利用FLUENT商業(yè)軟件通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得出實(shí)際應(yīng)用中超聲波在強(qiáng)化換熱管道中產(chǎn)生的空化效果，通過(guò)不同管道位置的汽含率的不同，來(lái)反映實(shí)際空化效果的優(yōu)劣。

1 超聲空化數(shù)值計(jì)算

1.1 幾何模型的建立

筆者對(duì)圓管、橫紋管、波節(jié)管和波紋管采用二維物理模型進(jìn)行了模擬計(jì)算。并在流體進(jìn)入管道流動(dòng)一段長(zhǎng)度后加入超聲波，主要研究了超聲波入口后的2m范圍內(nèi)的空化效果。圓管采用了25mm的管徑，其他管型的主要幾何參數(shù)如圖1所示，橫紋管的幾何參數(shù)為：φ1=25mm，φ2=21mm，L=30mm，R=5mm。波節(jié)管的幾何參數(shù)為：D1=19mm，D2=25mm，s1=8mm，s2=13mm，s=21mm。波紋管的幾何參數(shù)為：D=25mm，d=21mm，s=30mm。

a. 橫紋管

b. 波節(jié)管

c. 波紋管

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

動(dòng)量方程：

(1)

連續(xù)性方程：

(2)

式中p——水的壓力；

T——溫度；

αv——蒸汽份額；

μm——混合流體的粘性系數(shù)；

ρm——混合流密度；

ρv——飽和蒸汽密度。

由Singhal A K等提出的空化模型[25]，其空泡動(dòng)力學(xué)方程為：

(3)

(4)

(5)

式中Ce——模型系數(shù)；

fv——飽和蒸汽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

fg——空氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

k——湍動(dòng)能；

pv——飽和蒸汽壓力；

S——表面張力系數(shù)；

ρl——水的密度。

1.3 模型的引入與初始條件的設(shè)置

筆者采用了文獻(xiàn)[21]中的模型，在研究管道流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，選擇了標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，近壁處理選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。由于在空化作用下，液態(tài)水會(huì)在超聲波的作用下產(chǎn)生空化泡，因此選用Mixture模型，并加入全空化模型以滿足數(shù)值計(jì)算的需求。對(duì)于超聲波的加入，筆者采用壓力波進(jìn)行描述[26]，并通過(guò)UDF(User-Defined Function)引入FLUENT中。對(duì)于壓力和速度耦合選擇PISO格式，壓力離散方式采用PRESTO！方式，蒸汽離散模式采用Quick模式，其他模式均采用二階迎風(fēng)方式，以提高計(jì)算精度。

在筆者采用的模型中，選擇水為流體介質(zhì)，空化壓力為20℃飽和蒸汽壓力2 367.8Pa。對(duì)不同的管型分別在20、25、30、35、40、45kHz的超聲波頻率下，分別采用0.250、0.200、0.167、0.143、0.125、0.111μs的步長(zhǎng)迭代300步，即每種頻率都迭代150個(gè)周期進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 超聲波頻率對(duì)空化效應(yīng)的影響

筆者通過(guò)分析超聲波入口后2m范圍內(nèi)的汽含率隨管道位置的變化趨勢(shì)，得出超聲波頻率對(duì)空化效果的影響規(guī)律。

其中不同超聲波頻率下圓管、橫紋管、波紋管和波節(jié)管中汽含率隨管道的位置的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 汽含率隨管道位置的變化規(guī)律

從圖2a、c、d中可以看出，對(duì)于圓管、波紋管和波節(jié)管，在超聲頻率為20kHz時(shí)汽含率最大，45kHz時(shí)汽含率最小。通過(guò)觀察圖2b可以看出，對(duì)于橫紋管，當(dāng)超聲波頻率從20kHz升高到25kHz時(shí)，汽含率變化并不明顯，而若不斷升高超聲波頻率至45kHz，則汽含率不斷下降。這主要是因?yàn)殡S著超聲頻率的升高，超聲波的振動(dòng)周期逐漸縮短，由于過(guò)快的周期性變化，膨脹相的時(shí)間逐漸變短，空化核來(lái)不及增長(zhǎng)到可產(chǎn)生空化泡，與此同時(shí)，壓縮相時(shí)間的縮短，也無(wú)法讓空化泡潰滅。最終導(dǎo)致了空化效果較差。

對(duì)于同一個(gè)管道類型，在超聲波入口處，由于過(guò)高的聲壓使得水不容易產(chǎn)生空化效果，同時(shí)汽泡在過(guò)高的聲壓下亦會(huì)破裂潰滅，故而使得超聲波頻率和不同管道結(jié)構(gòu)對(duì)空化效果的影響微弱。因此，在超聲波入口處，管道內(nèi)的汽含率并不是很理想。

隨著管道位置遠(yuǎn)離超聲波入口，管內(nèi)的汽含率都呈上升趨勢(shì)，這主要由兩方面原因引起：一是在傳播過(guò)程中，超聲波不斷地衰減，即聲壓不斷降低，致使壓力小于水的飽和壓力，故水汽化為水蒸氣形成汽化泡，因此汽含率會(huì)不斷增加；二是由于超聲波的熱效應(yīng)，超聲波在管道的傳播過(guò)程中，空化泡破裂釋放出來(lái)的能量轉(zhuǎn)化為了流體的熱量，促使水溫升高，空化效果增強(qiáng)。

隨著管道的增長(zhǎng)直至管道出口處，管內(nèi)的聲壓繼續(xù)變小，此時(shí)聲壓的減小使得管內(nèi)汽泡的生成與潰滅幾乎保持在了一個(gè)平衡狀態(tài)，空化泡的數(shù)量變化微弱。這主要是由于聲壓的降低讓空化泡并不能破裂潰滅，而是隨著聲波在振動(dòng)。

2.2 換熱管型對(duì)超聲空化效果的影響

在超聲波的傳播過(guò)程中，不同的換熱管道的幾何結(jié)構(gòu)同樣會(huì)對(duì)超聲空化產(chǎn)生一定的影響。筆者通過(guò)對(duì)比同一超聲波頻率下不同換熱管道內(nèi)的汽含率的變化，分析了幾何結(jié)構(gòu)對(duì)超聲空化效果的影響(圖3、4)。從上文可知，除橫紋管在20～25kHz范圍內(nèi)時(shí)空化效果最佳外，其余3種管型均在20kHz時(shí)空化效果最佳。在綜合考慮后，研究了超聲波頻率為20kHz時(shí)不同管型對(duì)空化效果的影響規(guī)律。

圖3 局部管道的壓力分布

圖4 相同頻率下不同管道的汽含率

從圖3a、4a可以看出，在圓管管徑不變化條件下，管內(nèi)的汽含率為一個(gè)逐漸上升的直線，在這個(gè)過(guò)程中，聲壓的傳播過(guò)程受到了管道沿程阻力的影響而減小，即超聲波傳播是衰減過(guò)程。聲壓逐漸減小和超聲波的能量損失傳遞給水，導(dǎo)致空化效果越來(lái)越好。

而圖3b、4b、3c、4c、3d、4d中的橫紋管、波紋管、波節(jié)管的管徑在不斷變化，管內(nèi)汽含率的變化各不相同。根據(jù)熱力學(xué)定律，流體在變化的空間中流動(dòng)時(shí)，壓力會(huì)隨著空間的大小而變化。圖3b、4b中的橫紋管，當(dāng)管徑變小時(shí)聲壓減弱，并且管道內(nèi)結(jié)構(gòu)的變化形成了局部空穴，使汽化核心更容易形成，逐漸形成空化泡，最終空化效果變強(qiáng)。而隨著管徑的增加，聲壓恢復(fù)到原有狀態(tài)，已生成的汽泡被大量壓迫潰滅，空化泡的潰滅產(chǎn)生高溫區(qū)，溫度的升高又使空化泡變得容易生成，故而此時(shí)的汽含率較原來(lái)略高。

從圖3c、4c中可以看出，汽含率和聲壓的分布呈交替性變化過(guò)程。主要因?yàn)楣軓绞冀K在變化，這樣超聲波的傳播比較復(fù)雜，其中的聲壓在較短的一段管道內(nèi)呈周期性增加、減弱。而當(dāng)聲壓的膨脹相與管徑的變小一致時(shí)，更容易空化效果的產(chǎn)生。而隨后的壓縮相以及管道機(jī)構(gòu)本身的擴(kuò)壓迫使大量空化泡潰滅，故而汽含率突降。

圖3d、4d中的波節(jié)管恰與圖3b、4b中的橫紋管變化相反。波紋管管徑突然增大的過(guò)程中，聲壓快速增加，大量空化泡被壓破潰滅，而空化泡的破裂又會(huì)使得局部溫度升高，故而在汽含率降低過(guò)程中又會(huì)有局部的升高。但是這種效應(yīng)的變化是極快的，故而汽含率仍顯示為一種下降的趨勢(shì)。隨后的管徑增大促使空化核再次形成。而管道聲壓的變動(dòng)亦會(huì)造成能量的損失，促使溫度升高，聲壓逐漸減小，故而汽含率逐步增加，且并不十分規(guī)律。

3 結(jié)論

3.1超聲波頻率對(duì)空化效果有明顯的影響。圓管、波紋管和波節(jié)管的最佳超聲空化頻率為20kHz。橫紋管的最佳超聲空化頻率為20～25kHz。

3.2不同管道的幾何類型也會(huì)對(duì)超聲空化效果產(chǎn)生一定的影響。橫紋管更有利于空化效果的產(chǎn)生，其次是波紋管和圓管，波節(jié)管最不利于超聲空化的產(chǎn)生。

3.3主要研究了超聲波入口后2m范圍內(nèi)的超聲頻率和不同類型的強(qiáng)化換熱管型對(duì)超聲空化效果的影響。由于橫紋管利于超聲空化效果的產(chǎn)生，并且其最佳的超聲波頻率范圍也較其他管道類型大一些，故而在選擇超聲波除垢時(shí)，若其他條件相同，選用橫紋管空化除垢效果最佳。

[1] 馬志梅.超聲波阻垢與除垢技術(shù)研究進(jìn)展[J].中外能源，2008，13(4)：92～96.

[2] 朱永強(qiáng).換熱器的超聲波除垢技術(shù)[J].黑龍江科技信息，2013，(15)：142～143.

[3] Liu L Y，YangY，Liu P H，et al.The Influence of Air Content in Water on Ultrasonic Cavitation Field[J].Ultrasonics Sonochemistry，2014，21(2)：566～571.

[4] Rooze J，Rebrov E V，Schouten J C，et al.Dissolved Gas and Ultrasonic Cavitation a Review[J].Ultrasonic Sonochemistry，2013，20(1)：1～11.

[5] García-Atance Fatjó G，Torres Pérez A，Hadfield M.Experimental Study and Analytical Model of the Cavitation Ring Region with Small Diameter Ultrasonic Horn[J].Ultrasonics Sonochemistry，2010，18(1)：73～79.

[6] Niemczewski B.Influence of Concentration of Substances Used in Ultrasoniccleaning in Alkaline Solutions on Cavition Intensity[J].Ultrasonics Sonochemistry，2009，16(3)：402～407.

[7] Niemczewski B.Cavitation Intensity of Water under Practical Ultrasonic Cleaning Conditions[J].Ultrasonics Sonochemistry，2014，21(1)：345～359.

[8] 劉麗艷，聞精精，楊洋.固體顆粒對(duì)超聲空化場(chǎng)的影響[J].化學(xué)工業(yè)與工程，2013，30(1)：59～66.

[9] 李林.超聲場(chǎng)下空化氣泡運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬和超聲強(qiáng)化傳質(zhì)研究[D].成都：四川大學(xué)，2006.

[10] 吳曉霞，張華余，馬空軍.超聲空化泡運(yùn)動(dòng)特性的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用聲學(xué)，2012，31(6)：416～421.

[11] 崔方玲，紀(jì)威.超聲空化氣泡動(dòng)力學(xué)仿真及其影響因素分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(17)：24～26.

[12] 李爭(zhēng)彩，林書玉.超聲空化影響因素的數(shù)值模擬研究[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，36(1)：38～41.

[13] 曹玉葉.超聲雙空泡互相作用及運(yùn)動(dòng)特性的研究[D].西安：陜西師范大學(xué)，2011.

[14] 盧義剛，吳雄慧.雙泡超聲空化計(jì)算分析[J].物理學(xué)報(bào)，2011，60(4)：1～5.

[15] 賁永光，丘泰球，李康，等.單頻超聲和雙頻復(fù)合超聲的空化效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究[J].聲學(xué)技術(shù)，2009，28(3)：257～260.

[16] 盧行芳.超聲波熱效應(yīng)的應(yīng)用研究[J].浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，8(4)：47～51.

[17] 劉秀梅，賀杰，陸建，等.表面張力對(duì)固壁旁空泡運(yùn)動(dòng)特性影響的理論和實(shí)驗(yàn)研究[J].物理學(xué)報(bào)，2009，58(6)：4020～4025.

[18] 王萍輝.超聲空化影響因素[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，25(4)：154～161.

[19] 孫冰，張會(huì)臣.基于CFD方法的超聲空化發(fā)生特性數(shù)值分析[J].潤(rùn)滑與密封，2009，34(4)：55～60.

[20] 王智勇.基于FLUENT軟件的水力空化數(shù)值模擬[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[21] 張艾萍，胡劍文，楊洋，等.換熱管內(nèi)超聲空化效應(yīng)影響因素?cái)?shù)值研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2012，33(8)：1387～1390.

[22] 張艾萍，張毅，謝媚娜，等.強(qiáng)化換熱管型對(duì)超聲波特性及空化效果的影響[J].化工進(jìn)展，2015，34(1)：44～48.

[23] 吳曉霞，張華余，馬空軍.超聲空化泡運(yùn)動(dòng)特性的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化學(xué)，2012，31(6)：416～422.

[24] 史振方.聲空化優(yōu)化的數(shù)值模擬研究[D].西安：陜西師范大學(xué)，2009.

[25] Singhal A K，Athavale M M，Li H Y，et al.Mathmatical Basis and Validation of the Full Cavitation Model[J].Journal of Fluids Engeering，2002，124(3)：617～624.

[26] 王亮，呂效平，韓萍芳，等.圓球型化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)聲場(chǎng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2010，24(3)：476～481.

InfluencesofUltrasonicFrequencyandTubeTypesonUltrasonicCavitationEffect

ZHANG Ai-ping, YANG Zhao, XIA Rong-tao, DING Quan, ZHANG Yuan-yuan

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

FLUENT software was adopted to simulate cavitation effect of various heat exchange tubes at different frequencies. Comparing the vapor volume fraction of heat exchange tubes and analyzing cavitation effects show that, the circular tube, and bellows tube and corrugated pipe have optimum cavitation effect when ultrasonic frequency stays at 20kHz, so does the transversally-corrugated tube at the ultrasonic frequency from 20kHz to 25kHz. For the different heat exchange tubes, the geometric structure of the transversally-corrugated tube can benefit cavitation occurrence, then comes to the bellows tube and circular pipe in turn, the corrugated pipe goes against the generation of cavitation.

heat exchange tube, ultrasonic frequency, ultrasonic cavitation, numerical simulation

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51476025)，東北電力大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(BSJXM-201207)。

** 張艾萍，男，1968年2月生，教授。吉林省吉林市，132012。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)04-0517-06

2015-03-23)