低温孔板节流元件空化特性数值研究

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节流孔板节流效果浅析

节流孔板对既有民用建筑节水的意义摘要：本文从供水安全和节水节能的角度出发，通过设计的实验装置，研究了典型给水装置流量和工作压力的关系以及不同孔径节流孔板应用于既有建筑节水改造的节流效果，从而为给水系统供水压力和最佳节流孔板孔径的选择提供依据，对今后的建筑给水设计以及节流孔板在建筑生活给水中的应用具有一定的指导意义。

关键词：节流孔板、民用建筑、最低工作压力、节流效果1 概述防止超压出流是建筑节水的有效措施之一。

据北京建筑工程学院“建筑节水课题组”在11栋不同类项建筑的67个配水点所作的超压出流实测分析结果统计，有55％的普通水龙头和61％的陶瓷阀芯水龙头的流量大于各自的额定流量，处于超压出流状态，且这两种水龙头的最大出流量约为额定流量的3倍。

由此可见，在我国既有建筑中，给水系统的超压出流现象是普遍存在而且是比较严重的[1]。

在给水系统竖向合理分区的基础上，设置减压装置是防止超压出流最有效的方法之一。

减压阀、节流孔板以及节流塞是三种主要的减压装置。

从新建建筑应用状况来看，减压阀已经广泛应用于给水系统，在消防给水系统中节流孔板的应用也已经标准化。

但节流孔板在建筑生活给水中的应用没有得到广泛推广，并且消防给水中采用减压装置限制工作压力也不是从节能节水的角度出发，而是基于保护设备和人身安全。

从既有建筑节水节能改造方面来看，增加减压阀的用户很少，而更换节水器具的用户相对要多一些，但也只占整个用户的少部分，更换淋浴龙头的就更少[2]。

节流孔板材质可选用环保、符合标准的硬质塑料，制作简单、成本低、安装使用方便。

普通水龙头前安装节流孔板的方法很简单，就是在水龙头和管箍之间用2个胶垫夹住孔板，将水龙头拧紧即可。

在淋浴龙头前的安装方法是将节流孔板安装在淋浴龙头出口与花洒软管之间，就如同换胶垫一样简单。

节流孔板的应用对既有建筑的节水具有很大的意义，如能得到广泛应用，可以节省大量的水源，社会效益是很大的。

我国现行的《建筑给水排水设计规范》第3.3.5条规定：静水压大于0.35Mpa 的入户管（或配水横管），宜设减压或调压设施。

节流孔板空化特性分析

第３２卷第３期中国机械工程V o l ．３２㊀N o ．３２０２１年２月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．２９０Ｇ２９６节流孔板空化特性分析俞轲鑫１㊀尚群立１㊀吴㊀欣２１．浙江工业大学信息工程学院,杭州,３１００１２２．杭州电子科技大学机械工程学院,杭州,３１００１８摘要:管道系统中的各类阀门㊁文丘里管㊁孔板等节流件,随系统工作压力和前后压差的增大,会出现气液两相流引起的空化或发生阻塞流,对系统的工作性能和安全造成严重影响.针对以不同规格孔板为代表的节流件,采用理论推导和F L U E N T 流体力学两相流仿真,结合实验台架所得的空化流动特征,辅以对局部空化气泡的高速微距拍摄结果,提出了斜梯三角形流量曲线以表达节流孔板阻塞流发展变化的全部过程,充分表达了阻塞流发展过程中的局限性特征和阶梯性特征.关键词:节流孔板;空化特性;计算流体动力学仿真;阻塞流;微距摄影中图分类号:T K ９D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４１３２X．２０２１．０３．００６开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):A n a l ys i s o fC a v i t a t i o nC h a r a c t e r i s t i c s f o rO r i f i c eP l a t e s Y U K e x i n １㊀S H A N G Q u n l i １㊀WU X i n２１．C o l l e g e o f I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,H a n g z h o u ,３１００１２２．C o l l e g e o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,H a n g z h o uD i a n z iU n i v e r s i t y ,H a n gz h o u ,３１００１８A b s t r a c t :W i t ht h e i n c r e a s eo fs y s t e m w o r k i n gp r e s s u r ea sw e l l a sb e f o r ea n da f t e rd i f f e r e n t i a l p r e s s u r e ,c a v i t a t i o no rb l o c k i n g f l o wc a u s e db y v a p o r Ｇl i q u i dt w o Ｇp h a s ef l o w m i gh to c c u r i nv a r i o u s v a l v e s ,v e n t u r i t u b e s ,o r i f i c e p l a t e s a n do t h e r t h r o t t l i n gp a r t s i n t h e p i p i n g s y s t e m s ,w h i c hm i gh t s e Ｇr i o u s l y a f f e c t t h ew o r k i n gp e r f o r m a n c e s a n d s a f e t y o f t h e s y s t e m．F o r t h e t h r o t t l i n gp a r t s r e pr e s e n t e d b y o r i f i c e p l a t e so fd i f f e r e n t s p e c i f i c a t i o n s ,w i t ht h ea p pl i c a t i o n so f t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na sw e l l a s F L U E N Tf l u i dm e c h a n i c s t w o Ｇph a s e f l o ws i m u l a t i o n ,c o m b i n e dw i t h c a v i t a t i o n f l o wc h a r a c t e r i s t i c s o f c a v i t a t i o nb e n c ht e s t ,s u p p l e m e n t e db y t h eh i g h Ｇs p e e d m a c r o p h o t o g r a p h y re s u l t sof l o c a l c a v i t a t i o n b u b b l e s ,a n d t h e f l o wc u r v e s o f r a m p l a d d e r t r i a ng l ew e r e p r e s e n t e d t o e x pr e s s t h ew h o l e p r o c e s s e s o f t h e d e v e l o p m e n t a n d c h a n g e o f b l o c k i n g f l o wo c c u r r i n g i n t h e o r i f i c e p l a t e s ,w h i c h f u l l y e x pr e s s e d t h e l i m i t a t i o na n d s t e p c h a r a c t e r i s t i c s o f b l o c k i n g f l o wi n t h e d e v e l o pm e n t p r o c e s s e s ．K e y w o r d s :o r i f i c e p l a t e ;c a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ;c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s (C F D )s i m u l a Ｇt i o n ;b l o c k i n g f l o w ;m a c r o p h o t o g r a p h y收稿日期:２０１９１０２５基金项目:国家科技重大专项(２０１８Z X ０６００５００２Ｇ００３Ｇ００１);国家自然科学基金(６１１７４１０８)０㊀引言在调节阀工作过程中,当阀前后压差增大到一定程度时,流量系数呈现非线性变化,进而达到极限流量,进入阻塞流状态,同时,管道空化气蚀㊁噪声㊁振动[１]显著加剧,从而对阀门流通能力和结构安全造成重要影响,因此深入研究阻塞流的发展过程对系统高效安全运行具有重要的意义[１Ｇ２].调节阀㊁文丘里管㊁节流弯管对管道系统而言本质上就是一个流阻元件,对应着不同的流通特性,以调节阀为例,其不同开度对应不同的流阻特性.本文以节流孔板为节流件,选取不同规格的节流件,来模拟调节阀不同开度下的流阻特性.对于管道系统,阻塞流通常采用流量作为主要参数进行判定.工程中常用的阻塞流测定方法是:保持阀前压力不变,降低阀后压力,管道通过的流量逐渐达到极限,此后,即使继续降低阀后压力,流量仍保持不变.在阻塞流发展过程中,存在两个显著的阶段,一是流量随Δp 增大而线性变化阶段,二是达到极限流量后的水平阶段.线性变化阶段和水平阶段之间为流量的非线性变化阶段.当介质为水时,阻塞流与管道内水空化导致的液气两相流有关[３Ｇ４].阻塞流过程中的流量线性阶段和水平阶段与０９２管道空化程度有重要的关系.A B D U L A Z I Z[３]研究了空化文丘里管中的阻塞流发展过程,实验表明流量随阀后压力下降而达到极限流量,且流量曲线的线性阶段与水平阶段的过渡区域基本没有显著的非线性变化,也就是随阀后压力下降,流量曲线表现为两根相交的直线.Z H A N G等[４]研究了文丘里管道内阻塞流过程,认为阻塞流包括机械阻塞阶段和空化阻塞阶段两个阶段.上述研究侧重于研究阻塞流的空化特征,明确研究空化与节流件流量特性关系的工作相对较少.对于阻塞流中的空化现象,高速摄像技术和透明管道是研究空化形貌的一种重要手段.文献[５]给出了典型泵叶片上的超空化气泡照片.文献[６]研究了液体射流泵(l i q u i d j e t p u m p)随阀后压力下降,管道内从空化初生到整个管道内全部空化的过程,并给出了透明管道中的空化图像.文献[７]研究了文丘里管道内的空化阻塞流,认为发生空化阻塞流的管道是由初生㊁发展和混合与溃散等多个区域构成,并给出了空化图像.上述空化现象可视化研究结果多为空化区域整体图像,而给出直接观测空化气泡的报道相对较少.此外,流体仿真技术是另一种研究阻塞流流量特性和管道内空化的一种重要手段.文献[８]中提出的全空化模型在计算流体动力学(C F D)软件中得到了广泛应用.文献[９]利用C F D软件和空化建模技术研究了阀门中的流量和空化特性.文献[１０]采用３D流体仿真技术研究了先导阀中的空化现象,并提出了优化设计以减小空化的破坏.文献[１１]利用O p e nＧF O AM平台对喷口的空化进行了模拟计算.本文针对阻塞流过程,采用实验与仿真相结合的方法,研究阻塞流生成与发展过程的流量变化规律,建立流量与空化特征之间的关系,为后续调节阀性能优化设计提供物理依据.１㊀节流孔板理论流量特性分析对于管道系统,阻塞流是指在阀前压力固定,阀后压力降低到一定程度后,管道内流量达到极限,此后,即使继续降低阀后压力,管道内流量保持不变.对于不可压缩介质,例如水,阻塞流的出现与水在节流处的相变有关.阀前后压差较小时,节流孔板流量系数K v 值为常数,流量与流量系数满足如下关系:q V＝K v㊀１０Δp(１)式中,q V为通过节流孔板的流量;Δp为压差,M P a.当进入阻塞流状态后,流量达到极限值,即存在极限压差Δp T:Δp T＝F２１(p１－p v c)(２)F１＝㊀p１－p２p１－p v c(３)p v c＝P f p v(４)P f＝０．９６－０．２８㊀p v p c(５)式中,F１为压力恢复系数;p１为节流孔板前压力;p２为节流孔板后压力;P f为临界压力比系数;p v为饱和蒸汽压;p c为液体临界压力[１２].当Δp＞Δp T时,流量保持为极限流量:q V l i m＝K v㊀１０Δp T(６)从上面的公式中可以看到,流量曲线分为两条曲线:无空化时,K v为常数,流量与㊀Δp成线性关系;进入到阻塞流状态后,流量为极限流量.１．１㊀不同阀前压力时极限流量的阶梯性当固定阀前压力时,流量曲线包括K v为常数的线性阶段和达到极限流量后的水平段.进入阻塞流阶段后,流量达到极限流量:q V l i m＝K v F１㊀１０(p１－p v c)(７)可以看出,节流孔板的极限流量与阀前压力和流量系数有关.其中,p v c近似等于水的在该温度下的饱和蒸汽压p v,因此,对确定的节流孔板构成的节流管道系统而言,阻塞流曲线不仅是一条曲线,而是随阀前压力变化,表现为一簇曲线.对于节流孔板,流量系数K v和压力恢复系数F１均为常数,极限流量随孔板前压力增大而增大,因此,对于节流孔板构成的管道系统,阻塞流曲线随孔板前压力不同而呈现出一定的阶梯性.由此延伸到阀门部分,节流孔板可以相对地模拟为固定开度的阀门,所以对于阀门,开度不同,流量系数不同,压力恢复系数F１也不相同,表现为一簇斜率不同的斜直线和水平线.１．２㊀流量曲线最大压差的极限性通常的阻塞流曲线在流量和㊀Δp平面上表现为一条开放曲线,但是在实际管道系统中,流量曲线却有所限制:系统的最大压差小于p１－p v c,也就是阀后压力不能低于p v c,如果低于p v c,则介质全部变成蒸汽,系统性质将会发生显著变化.因此当介质为水时,系统存在最大压差Δp l i m＝p１－p v c.从式(７)中可以发现:极限流量q V l i m与最大压差㊀Δp l i m成线性关系.综上所述,在流量和㊀１０Δp平面内,管道内可能的流量位于阶梯三角形内,如图１所示.大１９２节流孔板空化特性分析俞轲鑫㊀尚群立㊀吴㊀欣斜率斜线为无空化流动,斜率为流量系数K v .小斜率斜线为最大压差Δp li m 时的极限流量,斜率为K v F １.图中水平线为既定阀前压力下的极限流量q V l i m .理论上讲,斜线不通过原点主要是因为:当流动为层流时,流量系数K v 要小于雷诺数较大时的流量系数.图１㊀节流孔板理论流量特性图F i g ．１㊀F l o wc h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s o f t h r o t t l i n go r i f i c e p l a t e实际管道系统中,流量曲线从常系数的K v流动到极限流量的发展过程为非线性过程.２㊀阻塞流发展过程实验研究阻塞流过程与节流孔板结构㊁流通介质和实验工况都有关系,因此采用实验方式研究阻塞流不同发展阶段的流量特征.基于设计的实验台架,首先以孔板作为节流部件,研究管道流量变化规律;然后,采用透明管段,结合高速摄像技术和微距拍摄技术,以可视化方式直接观察阻塞流发展过程的空化特征.２．１㊀实验台架２．１．１㊀台架设计实验台架装置是一套封闭的循环系统,主要由主管路㊁旁路㊁回路组成;液态水为实验介质;离心泵提供系统动力.设计的实验台架结构见图２.１．储水箱㊀２．法兰㊀３．弯头㊀４．无缝钢管㊀５．变频泵㊀６．手动球阀７．节流孔板安装处㊀８．测压孔㊀９．电磁流量计㊀１０．气动调节阀图２㊀实验台架F i g ．２㊀E x p e r i m e n t a l e q u i pm e n t ２．１．２㊀管段和透明管段设计孔板采用法兰连接安装在实验段处,如图３所示.为了观测实验过程中的空化现象,设计透明管段如图３b 所示.２．１．３㊀工况建立实验工况的建立分为以下步骤:①调节变频泵至固定初始压力;②改变图２所示部件１０气动调节阀的开度,改变孔板后压力;③调节变频泵的输出,使其压力固定在步骤①所设定的值.１．取压接头㊀２．孔板组件㊀３．O 形圈４．阀板法兰组件㊀５．无缝钢管(a)采样管段设计图(b)透明管段图３㊀实验段结构设计图F i g ．３㊀S t r u c t u r e d r a w i n g o f e x pe r i m e n t a l s e c t i o n ２．２㊀节流孔板设计设计节流孔板旨在从一定程度上模拟阀门㊁管道节流件等节流装置,对于管路系统,其本质皆是一定的流阻元件.本文节流孔板设计尺寸如下:厚孔板厚度L ＝１６m m ,孔径ϕ８m m ㊁ϕ１６m m ,入口处圆弧过渡,后文标记为ϕ８ˑ１６和ϕ１６ˑ１６.管道系统流通方向由倒角处流入,如图４所示,从左至右.图４㊀实验孔板结构设计图F i g ．４㊀D r a w i n g of o r i f i c e p l a t e２９２中国机械工程第３２卷第３期２０２１年２月上半月２．３㊀孔板流量特性分析为了研究温度节流孔板的流通能力的影响,选择ϕ８ˑ１６孔板作为节流件,孔板前压力为９００k P a ,测量不同孔板后压力下的流量,如图５所示.可以发现在研究的范围内,流量并未有显著变化.图中也给出了名义的K v ,可以看出在临界压力之前,K v 基本上保持水平;靠近临界压力处,K v 有变小的趋势,但是基本上不太明显.因此可以认为,受限于台架与测试器件的测量范围,在研究温度区间内,流量特性并未有显著变化.图５㊀不同温度下的流量曲线F i g ．５㊀F l o wc u r v e s a t d i f f e r e n t t e m pe r a t u r e s 从上面的流量实验中可以发现:(１)节流孔板的可能流量(图６)局限于三角形内,大斜率直线代表无空化流动,水平线为不同孔板前压力下的极限流量,小斜率直线为孔板的极限流量.(２)对于图６所示流量曲线,流量可以作为阻塞流判断依据,但无法作为空化出现的判据.(３)温度在小范围变化时(１５ħ),节流孔板的流量特性并未有显著变化.图６㊀ϕ１６孔板流量曲线F i g．６㊀ϕ１６Ｇo r i f i c e p l a t e f l o wc u r v e ２．４㊀阻塞流空化特征可视化研究阻塞流产生的原因是由于管道内压力低于饱和蒸汽压,水发生相变转化为气体,形成了液气两相流,导致流量达到极限流量后不再增大.为了观测阻塞流发展过程中的空化现象,采用透明管段方式,结合摄影成像技术,研究阻塞流形成过程的空化规律.进而,为了获取空化气泡的确切证据,采用微距成像方式拍摄成形气泡形貌,为空化现象提供直接证据.图７为阻塞流初始㊁发展和完全阻塞过程的图像.保持孔板前压力为９００k P a ,减小孔板后压力,观测透明管道内的流动情况.首先为无空化流动(图７a ),然后随孔板后压力的减小,孔板后开始出现空化气泡,在距离节流较近的区域空化气相比例较高,远处相对较小(图７b ).孔板后压力继续下降,管道内完全空化(图７c).(a)无空化(b)孔板后少量空化(c)孔板后空化图７㊀阻塞流发生发展过程F i g ．７㊀D e v e l o p m e n t p r o c e s s o f b l o c k i n gf l o w 为了进一步证实图７中白色区域为空化区域,采用微距拍摄技术对完全空化区域进行进一步观测.图８为微距拍摄图像,从图中可以明确观测到管道内的空化气泡,空化气泡尺度大小不一,从０．１mm 到１mm ,小气泡圆度相对较好,大气泡形状很多以椭圆的形状出现,这可能与气泡膨胀过程中外部作用有关,即小气泡受力较为均衡,大气泡受力不均.图８㊀空化气泡图像F i g ．８㊀T h e i m a ge of c a v i t a t i o nb u b b l e３９２节流孔板空化特性分析俞轲鑫㊀尚群立㊀吴㊀欣３㊀基于C F D的阻塞流发展过程中空化特征仿真为了进一步研究阻塞流发展过程,采用C F D 仿真技术研究阻塞流过程中的流量与空化现象的关系.首先通过与实验数据的对比分析来验证分析技术的有效性,然后基于仿真技术研究典型阻塞流发展过程的流量与空化演变规律.３．１㊀仿真技术有效性分析建模时,选用的多相流模型为混合模型(m i x t u r em o d e l),液体水(w a t e rＧl i q u i d)为主相,水蒸气(w a t e rＧv a p o r)为次相.湍流模型为R e a lＧi z a b l e kＧε模型,近壁区域采用S t a n d a r dw a l l f u n cＧt i o n.空化模型选用S c h n e r rＧS a u e r模型.求解算法选用c o u p l e d算法.边界条件为孔板前和孔板后压力.３．１．１㊀流量计算仿真时,边界条件为孔板前后压力,计算流量如图９所示,可见仿真分析所得流量数据与实验所采集流量数据吻合较好,验证了仿真模型的有效性.(a)ϕ８孔板实验与仿真对比图(b)ϕ１６孔板实验与仿真对比图图９㊀ϕ８和ϕ１６实验与仿真流量数据对比图F i g．９㊀C o m p a r i s o nd i a g r a mb e t w e e n t h e e x p e r i m e n ta n d s i m u l a t i o n f l o w ３．１．２㊀压力计算与空化程度分析图１０为实验与仿真压力大小分布图,图中横坐标为至孔板前压力p１采样口的距离.由图１０可以看出:实验压力采样点的压力与仿真计算压图１０㊀ϕ１６实验与仿真压力对比图F i g．１０㊀C o m p a r i s o nd i a g r a mb e t w e e n t h e e x p e r i m e n ta n d s i m u l a t i o n p r e s s u r e力曲线吻合较好,证明了仿真的有效性.３．２㊀孔板阻塞流发展过程分析ϕ８ˑ１６和ϕ１６ˑ１６的流量特性基本为双线特性,空化过程包括节流孔板后局部空化到整体空化的过程.为了研究阻塞流发展过程的空化规律,采用C F D技术研究不同压力下的空化特征.图１１给出了ϕ８孔板前压力为４００k P a,不同孔板后压力下的空化特征.可以看出:在阻塞流发展过程中,空化主要包括节流孔板内空化和节流孔板后空化两个阶段.第一阶段,随孔板后压力下降,孔板内流速增加㊁压力下降,当孔板内压力小于水的饱和蒸汽压后,孔板内出现空化.第二阶段是当孔板后压力继续下降,孔板后出现空化现象.图１２给出了阻塞流发展过程中随孔板后压力下降,流量㊁整个仿真区域内的气体的体积和管道内空化的变化过程.①孔板节流处空化阶段,孔板内空化程度逐渐加强,这时的气相体积相对较小,然后,空化区域逐渐拓展至整个孔板,当孔板内出现完整空化时,管道流量迅速达到极限流量.在这个过程中,K v值为非线性变化,但是非线性变化程度较低.此时,即可认为是阻塞流的充分发展阶段.②管道内空化的发展阶段,孔板后管道内空化是一个快速发展的过程,气相体积快速增大,流量基本保持不变.在第一阶段的孔板内空化过程中,随孔板后压力下降,孔板后未出现显著空化.从流量角度分析,节流孔处完全空化就意味着系统进入阻塞流阶段;从整个管道空化程度分析,孔板后出现大４９２中国机械工程第３２卷第３期２０２１年２月上半月量空化气泡,也就是管道的阻塞流的空化最剧烈的阶段.因此,对于厚节流孔板,在未达到临界压差时,孔板内已经出现空化,也就意味着此时孔板存在一定的空化气蚀的潜在风险.(a)p２＝２００k P a(b)p２＝１００k Pa(c)p２＝５２k P a(d)p２＝４２k P a(e)p２＝３９．５k P a(f)p２＝１２k P a图１１㊀p１＝４００k P a空化发展过程F i g．１１㊀C a v i t a t i o nd e v e l o p m e n t p r o c e s s(p１＝４００k P a)图１２㊀ϕ８孔板仿真气体体积变化F i g．１２㊀S i m u l a t i o n g a s v o l u m e c h a n g e o fϕ８Ｇo r i f i c e p l a t e ４㊀节流孔板阻塞流特性４．１㊀阻塞流的斜梯形曲线特征流量曲线是描述阻塞流发展过程的重要工具,综合考虑阻塞流曲线的阶梯性㊁流量的极限性等特性,本文将流量曲线(图１３)命名为斜梯三角形流量曲线,它描述了节流孔板与阻塞流发生发展过程的全景.图１３㊀ϕ８孔板斜梯三角形流量曲线F i g．１３㊀ϕ８Ｇo r i f i c e p l a t e r a m p t r i a n g l e f l o wc u r v e斜梯三角形流量曲线是由一系列固定孔板前压力的阻塞流曲线和最大压差下的流量曲线构成的封闭区间.①流量局限性:可能的流量局限在斜梯形内.②流量曲线的阶梯性:不同孔板前压力下的流量曲线组成了一个个阶梯.③流量曲线的局部特征:每条阻塞流曲线包括无空化流动区域㊁阻塞流区域.④无空化流动区域K v为常数,流量呈线性变化;阻塞流区域为该孔板前压力下的最大流量.４．２㊀阻塞流发展过程特征阻塞流发展过程的空化由节流孔板内空化和节流件后空化两个部分构成.通过可视化技术观测到的阻塞流发展过程图像和微距拍摄的空化气泡图像,再次证实了阻塞流发生的内在机理在于介质空化导致的液气两相流.对于ϕ８ˑ１６孔板,节流孔尺寸决定了极限流量(图１３).在孔板内初始空化时,K v变化不大,当孔板内空化完全后,流量达到极限流量,这时阻塞流已经充分发展.随孔板后压力进一步下５９２节流孔板空化特性分析俞轲鑫㊀尚群立㊀吴㊀欣降,孔板后出现空化,但是流量不再增加.５㊀结论大压差工作环境下,由于液气两相流(空化)现象引起的阻塞流对系统流通性能具有重要的影响,因此采用理论㊁实验和仿真等方法,以节流孔板为对象,研究管道内介质为水时的阻塞流的非线性发展过程,得到结论主要如下:(１)提出采用阻塞流斜梯三角形流量曲线来描述节流孔板的阻塞流特性,以充分表达流量的局限性特征㊁阶梯性特征.(２)通过阻塞流发展过程图像和微距拍摄空化气泡图像,再次证实了阻塞流发生的内在机理在于介质空化导致的液气两相流.孔板空化过程包括孔板内空化和孔板后空化两个阶段.(３)厚孔板的节流情况下,单纯的流量可以作为阻塞流出现的判据,但不能作为空化发生的判据.参考文献:[１]㊀W I N K L HO F E R E,K U L L E,K E L Z E,e ta l．C o m p r e h e n s i v eH y d r a u l i c a n dF l o wF i e l dD o c u m e nＧt a t i o n i n M o d e lT h r o t t l eE x p e r i m e n t su n d e rC a v i t aＧt i o nC o n d i t i o n s[C]//１７t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo n L i q u i d A t o m i z a t i o n a n d S p r a y S y s t e m s．N e wY o r k,２００１:６７Ｇ９０．[２]㊀S A N D E E P M,D H I MA N C,S HAM I T B,e ta l．N u m e r i c a l P r e d i c t i o n o f P o t e n t i a l C a v i t a t i o nE r o s i o ni nF u e l I n j e c t o r s[J]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fM u l t iＧp h a s eF l o w,２０１８,１０４:１Ｇ１２．[３]㊀A B D U L A Z I Z A．P e r f o r m a n c ea n dI m a g e A n a l y s i s o f aC a v i t a t i n g P r o c e s s i naS m a l lT y p eV e n t u r i[J]．E x p e r i m e n t a lT h e r m a l a n dF l u i dS c i e n c e,２０１４,５３:４０Ｇ４８．[４]㊀Z HA N G X,WA N G D,L I A O R,e ta l．S t u d y o f M e c h a n i c a l C h o k e dV e n t u r i N o z z l e sU s e d f o r L i q u i dF l o w C o n t r o l l i n g[J]．F l o w M e a s u r e m e n t a n dI n s t r u m e n t a t i o n,２０１９,６５:１５８Ｇ１６５．[５]㊀A G O S T I N O LD,S A L V E T T IM V．F l u i dD y n a mＧi c s o fC a v i t a t i o na n d C a v i t a t i n g T u r b o p u m p s[M]．N e w Y o r k:S p r i n g e rV i e n n a,２００７:１４６Ｇ１５２．[６]㊀L O N G X,Y A O H,Z HA O J．I n v e s t i g a t i o n o n M e c h a n i s mo fC r i t i c a l C a v i t a t i n g F l o wi nL i q u i dJ e tP u m p su n d e r O p e r a t i n g L i m i t s[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fH e a t a n dM a s sT r a n s f e r,２００９,５２:２４１５Ｇ２４２０．[７]㊀WA N GJ,WA N GL,X US,e t a l．E x p e r i m e n t a l I nＧv e s t i g a t i o no n t h eC a v i t a t i o nP e r f o r m a n c e i naV e nＧt u r iR e a c t o rw i t hS p e c i a lE m p h a s i so nt h eC h o k i n gF l o w[J]．E x p e r i m e n t a lT h e r m a l a n dF l u i dS c i e n c e,２０１９,１０６:２１５Ｇ２２５．[８]㊀S I N G HA L A,MA H E S H M,L IH,e t a l．M a t h eＧm a t i c a lB a s i sa n d V a l i d a t i o no f t h eF u l lC a v i t a t i o nM o d e l[J]．J o u r n a lo fF l u i d sE n g i n e e r i n g:T r a n s a cＧt i o n s o f t h eA S M E,２００２,１２４(３):６１７Ｇ６２４．[９]㊀L I A N GJ,L U O X,L I U Y,e t a l．A N u m e r i c a l I nＧv e s t i g a t i o n i nE f f e c t so f I n l e tP r e s s u r eF l u c t u a t i o n so nt h e F l o w a n d C a v i t a t i o n C h a r a c t e r i s t i c sI n s i d eW a t e r H y d r a u l i c P o p p e t V a l v e s[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f H e a ta n d M a s s T r a n s f e r,２０１６,１０３:６８４Ｇ７００．[１０]㊀Y A N G Q,A U N G NZ,L I S．C o n f i r m a t i o no n t h eE f f e c t i v e n e s so fR e c t a n g l eＧs h a p e dF l a p p e ri n R eＧd u c i n g C a v i t a t i o n i nF l a p pe rＧn o z z l eP i l o tV a l v e[J]．E n e r g y C o n v e r s i o na n d M a n a g e m e n t,２０１５,９８:１８４Ｇ１９８．[１１]㊀高永强,魏明锐,谭保华,等．基于O p e n F O AM的喷孔内部流动与近场雾化的数值模拟[J]．中国机械工程,２０１６,２７(１):７９Ｇ８４．G A O Y o n g q i a n g,W E IM i n g r u i,T A NB a o h u a,e ta l．N u m e r i c a l S i m u l a t i o no f I n t e r n a lF l o wo fN o zＧz l e sa n d N e a rＧf i e l dS p r a r y w i t h O p e n F O AM[J]．C h i n aM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,２０１６,２７(１):７９Ｇ８４．[１２]㊀I E C６０５３４Ｇ２Ｇ１．I n d u s t r i a lP r o c e s sC o n t r o lV a l v e s P a r t２Ｇ１:F l o w c a p a c i t yＧS i z i n g E q u a t i o n sf o r F l u i dF l o wu n d e r I n s t a l l e dC o n d i t i o n s[S]．N e w Y o r k:I XＧI E C,１９９９．(编辑㊀袁兴玲)作者简介:俞轲鑫,男,１９９５年生,硕士研究生.研究方向为故障诊断㊁智能控制.K x u y u１９９５＠q q．c o m.尚群立(通信作者),男,１９６４年生,教授.研究方向为调节阀所在系统的理论与应用.发表论文１０余篇.EＧm a i l:q l s h a n g＠z j u t．e d u．c n.６９２中国机械工程第３２卷第３期２０２１年２月上半月。

节流孔板的原理及限流计算

节流孔板的原理管道的前后压差较大时，往往采用增加节流孔板的方式，其原理是：流体在管道中流动时，由于孔板的局部阻力，使得流体的压力降低，能量损耗，该现象在热力学上称为节流现象。

该方式比采用调节阀要简单，但必须选择得当，否则，液体容易产生汽蚀现象，影响管道的安全运行。

1汽蚀现象节流孔板的作用，就是在管道的适当地方将孔径变小，当液体经过缩口，流束会变细或收缩。

流束的最小横断面出现在实际缩口的下游，称为缩流断面。

在缩流断面处，流速是最大的，流速的增加伴随着缩流断面处压力的大大降低。

当流束扩展进入更大的区域，速度下降，压力增加，但下游压力不会完全恢复到上游的压力，这是由于较大内部紊流和能量消耗的结果。

如果缩流断面处的压力pvc降到液体对应温度下的饱和蒸汽压力pv以下，流束中就有蒸汽及溶解在水中的气体逸出，形成蒸汽与气体混合的小汽泡，压力越低，汽泡越多。

如果孔板下游的压力p2仍低于液体的饱和蒸汽压力，汽泡将在下游的管道继续产生，液汽两相混合存在，这种现象就是闪蒸。

如果下游压力恢复到高于液体的饱和蒸汽压力，汽泡在高压的作用下，迅速凝结而破裂，在汽泡破裂的瞬间，产生局部空穴，高压水以极高的速度流向这些原汽泡占有的空间，形成一个冲击力。

由于汽泡中的气体和蒸汽来不及在瞬间全部溶解和凝结，在冲击力作用下又分成小汽泡，再被高压水压缩、凝结，如此形成多次反复，并产生一种类似于我们可以想象的砂石流过管道的噪音，此种现象称为空化（见图2）。

流道材料表面在水击压力作用下，形成疲劳而遭到严重破坏。

我们把汽泡的形成、发展和破裂以致材料受到破坏的全部过程称为汽蚀现象。

闪蒸和空化的主要区别在于汽泡是否破裂。

存在闪蒸现象的系统管道，由于介质为汽水两相流，介质比容和流速成倍增加，冲刷表面磨损相当厉害，其表现为冲刷面有平滑抛光的外形。

闪蒸也产生噪音和振动，但其声级值一般为80 dB以下，不超出规范规定的许可范围。

空化则不然，汽泡破裂和高速冲击会引起严重的噪音，管道振动大，在流道表面极微小的面积上，冲击力形成的压力可高达几百甚至上千兆帕，冲击频率可达每秒几万次，在短时间内就可能引起冲刷面的严重损坏，其表现为冲刷面会产生类似于煤渣的粗糟表面。

节流孔板

节流孔板技术文本一、技术参数1. 管道直径：DN10-DN2000外形：圆形截面2. 介质蒸汽、气体(混合、潮湿)、液体最大粘度：50mPas(50cSt)耐磨性：锋利的内孔边缘可能被磨损，但可以更换孔板抗腐蚀：通过使用抗腐蚀材料延长使用寿命粘附的影响：粘附物将聚积在孔板前降低孔板的测量精度测量误差(密度恒定)：大约测量值的1%3、技术数据：重复性R：最大流量的0.1%压损：典型性的<静压的1%，与β值有关的ΔΡ的10%-80%最大液体速度：液体：12m/s,气体：60m/s最小雷诺数：2800典型的差压值ΔΡ：液体：40-600mbar气体：5-200mbar蒸汽：60-2500mbar4、安装安装形式：可选焊接适配法兰带颈焊接法兰测量法兰上、下游直管段要求：一般情况下：上/下：10/4倍管径，与β值及障碍物也有关联5. 材质孔板： SUS304，其它同管道材质蒸汽冷凝罐：3046．过程温度压力：最大1000℃，最大400bar.7、供货范围：环室短节、八槽孔板、导压管、截止阀、蒸汽带冷凝器二、供货范围及技术参数详细供货范围及技术参数清单1、所有角接取压的供货范围为环室、孔板和导压管，测量蒸汽的带冷凝器2只；2、孔板、冷凝器、导压管的材质均为SUS304。

三、制造标准及主要技术要求1、按江阴市塔南流量仪表有限公司相关标准制造。

2、外购件必须要有原产地证书。

四、卖方向买方应提供的技术文件1、安装、调试和操作、维修手册；（四套）2、出厂试验报告（一套）3、产品出厂检验合格证（一套）4、装箱清单（一份）5、以上资料，在卖方供货时提供。

基于正交试验大型轴流泵空化特性的数值模拟_燕浩

收稿日期２０１４０６０３．－－，，：作者简介燕浩（男，博士研究生；刘梅清（通信作者）教授，ａｉ１９８５Ｅ－ｍｌｌｉｕｍ２６．ｃｏｍ．－）＠１ｑ）；湖北省水利厅重点科研项目（）基金项目国家自然科学基金资助项目（５０８７９０６２ＨＢＳＬＫＪＨＴ２０１３０７．
摘要针对２从泵内空化基本方程出发，确立叶顶尖间隙７０型立式轴流泵内部空化对机组性能的影响，８ＣＪ－
３）并建立Ｌ叶片吸力面流线分布和叶片进口边外缘修圆ψ 为影响轴流泵空化特性的主要因素，正交３ γ、９（
ＹａｎＨａｏＬｉｕＭｅｉｉｉａＸｉｎｉｎＰｅｎｎｎｑｇＬｇｇＬｇ
，Ｗｕ），Ｗｕ（ｈａｎ４３００７２，ＣｈｉｎａｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｏｌｏｆＰｏｗｅｒａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎＳｃｈｙｇｇ
第４２卷第１２期２０１４年１２月
华中科技大学学报（自然科学版））ｕａｚｈｏｎＵｎｉｖ．ｏｆＳｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎＪ．Ｈｇ
·（自然科学版）
第４２卷
使叶片压大型轴流泵叶顶与端壁相对运动，力面高压流体向吸力面低压区流动，产生叶顶间

孔板空化器纯水空化效应实验

第28卷㊀第5期2023年10月㊀哈尔滨理工大学学报JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY㊀Vol.28No.5Oct.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀孔板空化器纯水空化效应实验韩桂华1,㊀赵恩玉1,㊀李大尉2,㊀赵志伟1,㊀陈林秋1,㊀朱宜鹏1(1.哈尔滨理工大学机械动力工程学院,哈尔滨1500802;2.黑龙江省科学院高技术研究院,哈尔滨150020)摘㊀要:为了研究孔板结构参数对空化效应的影响,以孔板式空化器为例,依据气泡动力学理论,建立孔板内气液两相动态空化模型,推导出孔板通道及出水口流量方程㊂采用实验的方法,在初始操作参数条件下,固定出口压力为0MPa ,调节入口压力,在入口压力与出口压力压差值0.2MPa ~1MPa 范围内,以0.1MPa 等差值递增共实验九次,改变孔板厚度㊁孔数㊁孔型结构,以水的物化性质电导率为表征手段,以溶解氧作为辅证,研究孔板结构参数对空化效应的影响㊂结果表明:随着入口压力的升高,液体的空化强度越强,且当入口压力达到一定值时,空化强度趋于稳定;改变孔板厚度,压差在0.2MPa ~0.9MPa 内,8mm 孔板的电导率达到140.54μS /cm ,空化效果最佳,压差在0.9MPa ~1MPa 内,10mm 孔板的电导率达到142.47μS /cm ,空化效果最佳;改变孔板孔数,压差在0.2MPa ~0.6MPa 内,五孔孔板的电导率达到136.51μS /cm ,空化效果最佳,压差在0.6MPa ~1MPa 内,三孔孔板的电导率达到141.61μS /cm ,空化效果最佳;改变孔型结构,压差在0.2MPa ~1MPa 内,孔型对孔板空化强度的影响微弱,整体圆形空化效果最好,方形次之,三角形最差㊂关键词:孔板;纯水;空化效应;溶解氧;电导率DOI :10.15938/j.jhust.2023.05.014中图分类号:O427.4文献标志码:A文章编号:1007-2683(2023)05-0110-08Cavitation Effect of Pure Water on Orifice PlateHAN Guihua 1,㊀ZHAO Enyu 1,㊀LI Dawei 2,㊀ZHAO Zhiwei 1,㊀CHEN Linqiu 1,㊀ZHU Yipeng 1(1.School of Mechanical and Power Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China;2.Institute of Advanced Technology Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150020,China)Abstract :In order to study the influence of structural parameters of orifice plate on cavitation effect,a gas-liquid two-phasedynamic cavitation model in orifice plate was established based on bubble dynamics theory,and the flow equations of orifice plate passage and outlet were derived.Under the initial operating parameters,the outlet pressure was fixed at 0MPa,and the inlet pressure was adjusted.The pressure difference between the inlet pressure and outlet pressure was 0.2MPa ~1MPa,and the equal difference value of 0.1MPa was incremented for nine times.The thickness of the orifice plate,the number of holes and the pore structure were changed.The effect of structural parameters of orifice plate on cavitation effect was studied.The results show that the cavitation strength of liquid becomes stronger with the increase of inlet pressure,and tends to be stable when the inlet pressure reaches a certainvalue.By changing the thickness of orifice plate,the conductivity of 8mm orifice plate reaches 140.54μS /cm when the pressure difference is between 0.2MPa and 0.9MPa,and the conductivity of 10mm orifice plate reaches 142.47μS /cm when the pressure difference is between 0.9MPa and 1MPa.Changing the number of holes in the orifice plate,the conductivity of the five-hole plate is 136.51μS /cm when the pressure difference is between 0.2MPa ~0.6MPa,and the conductivity of the three-hole plate is 141.61μS /cm when the pressure difference is between 0.6MPa ~1MPa.Changing the pass structure,the pore structure and the pressure difference between 0.2MPa ~1MPa,the influence of the pore shape on the cavitation strength of the orifice plate is weak,and theoverall circular cavitation is the best,followed by the square one and the triangle one.Keywords :orifice plate;pure water;cavitation effect;dissolved oxygen;electrical conductivity㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-04-07基金项目:黑龙江省自然科学基金(E2016040);国家自然科学基金(51375123);黑龙江省科学院科学研究基金(KY2020GJS03).作者简介:赵恩玉(1997 ),女,硕士研究生;李大尉(1982 ),男,副研究员.通信作者:韩桂华(1972 ),女,博士,副教授,硕士研究生导师,E-mail:641544105@.0㊀引㊀言空化现象是一种发生在液体介质中剧烈的物理现象[1],其原理为液体在常温下流经节流装置时,流速增加㊁压力降低[2],当液体的局部压力降至饱和蒸气压[3]及以下时,液体中的可溶性气体就会析出形成气核[4],随着压力不断升高,气泡会不断增长直至溃灭[5]㊂该过程会释放大量能量,因此水力空化技术得到广泛研究,已经应用在水消毒[6]㊁纳米材料合成[7]㊁废物活性污泥处理[8]㊁乳化[9]㊁细胞破坏[10]㊁生物燃料合成以及清洗管道[11]等多个方面㊂空化过程中产生巨大的空化效应,在空化效应对溶液的物化性质方面,研究发现空化过程中产生巨大的剪切力,将污水中有机大分子打碎成小分子,使污水中化学需氧量增高,另一方面有机小分子矿化形成矿物盐,增大离子浓度,使得污水的电导率也逐渐增加[12];剪切力还使污泥中的微生物细胞和絮状体破碎,产生离子并使PH值升高[13]㊂空化过程中气核不断增多,加强了流场空化强度,过氧化氢含量增加,其中O2作为反应物不断被消耗,溶解氧逐渐降低[14]㊂黄永春在探究水力空化对原糖溶液表面张力的影响发现,随着空化时间增长,使得原糖溶液中的胶体粒子的水化层破坏,分子间作用力减弱,表面张力逐渐降低[15]㊂在空化强度表征方面,大多数学者通过检测空化过程中产生㊃OH浓度的变化间接表征流场空化强度的变化,为数值模拟的验证和评价提供依据[16-17]㊂中北大学的杨思静等[18]利用空化前后亚甲基蓝溶液吸光度的变化,来推算空化过程中产生羟基的浓度,以此作为空化强度的表征手段㊂通过大量实验,研究了空化过程中不同溶液的物化性质的变化情况,结果表明溶液的物化性质能较好地表征空化强度,同时空化效应的强弱与水物化性存在关联性,因此本文以纯水作为空化介质,孔板式[19]空化器为例,探究孔板厚度㊁孔数㊁孔型对孔板空化器内空化特性的影响,并以水中溶解氧来表征空化强度,以电导率加以辅证㊂1㊀空化通道内流体流量方程推导孔板空化器内流体流过孔板时,流体的流速与压力出现明显的变化㊂如图1所示,充满管道的流体由界面1流至界面2时,流体的压力由p1降低到p2,平均流速由u1增加至u2,两截面间形成了压差㊂流体流过界面2后,压力升高,流速降低,到达截面3时,流场的分布恢复了均匀状态㊂但是在流场中阻力的作用下,流体的压力p3并没有恢复到p1,流体的压力损失[20]为Δω=p1-p3㊂图1㊀孔板附近的流体流速与压力变化情况Fig.1㊀Changes in fluid velocity and pressurenear the orifice在孔板空化器内,截面1与截面2处于同一水平线上,两截面处的势能相等,因此伯努利方程与流体连续性方程可以表示为p1ρ+c1u212=p2ρ+c2u222+ξ(1) Au1=A2u2(2)式中:A为管道的入口面积;A2为截面2处的通流面积;ρ为流体的密度;u1㊁u2为截面1㊁2处流体的平均流速;c1㊁c2为平均流速的动能修正系数;ξ为能量损失系数㊂由式(1)和(2)可得截面2处的平均流速为u2=2(pᶄ1-pᶄ2)ρ(c2+ξ-c1A22A2(3)111第5期韩桂华等:孔板空化器纯水空化效应实验式中:pᶄ1㊁pᶄ2为截面1㊁2处流体的平均压力㊂对于截面2处的通流面积A2是无法进行测量的,这里用孔板的开孔面积A1来表示㊂A2=μA1(4)式中μ为收缩系数㊂定义孔板截面1处与截面2处的等效直径之比为β,公式为β=r R=πr2πR2=A1A(5)式中R㊁r分别为截面1㊁2的等效直径㊂将式(4)与式(5)代入式(3)求解得:μ2=1c2+ξ-c1μ2β42Δpᶄρ(6)在实际应用中,实际测量的截面1㊁2处的压差Δp与平均压力差Δpᶄ是存在差异的,对此要引入ψ进行补偿,其中ψ为取压系数㊂即:ψ=ΔpΔpᶄ(7)由式(4)~式(7)可得孔板通道处流体的流量方程为q v=u2A2=u2μA1=μψc2+ξ-c1μ2β4β2A 2Δpᶄρ(8)由图1可知,在流场中阻力的作用下,流体压力p3并没有恢复到p1,流体内存在压力损失㊂根据截面2㊁3的流体状态列动量方程:p2A2+p2(A-A2)-p3A=ρq v(u3-u2)(9)压力损失为Δ =p1-p3(10)由式(1)与式(8)~式(10)可得压力损失:Δ =(1+2μβ2(μβ2-1)c2+ξ-c1μ2β4)Δp=(1+2μβ2(μβ-1)c2+ξ-c1μ2β4)ψΔp(11)同理可推导出图1中截面3处的流量方程为q3=A3c3+ξ-c1μ2β4㊃(2+4μβ2(μβ2-1)ρ(c2+ξ-c1μ2β4)Δpᶄ(12)式中:c3为u3的动能修正系数;A3为出水口通流面积㊂2㊀孔板空化实验2.1㊀实验装置为了完成水力空化实验,由黑龙江省科学院高技术研究院提供了一套孔板式水力空化循环系统,实验装置的结构图如图2所示㊂㊀㊀1.电源2.频率调节装置3.电机4.水泵5.流量表6.数显压力表7.空化器8.指针压力表9.冷却10.水箱图2㊀孔板式空化器结构图Fig.2㊀Structure drawing of hole plate cavitation该实验装置采用YE2-200L1-2型三相异步电动机,功率30kW,额定电压380V,额定电流55.4A,转速2950r/min,额定频率50Hz,电动机定子绕组Δ连接方式㊂水泵参数流量25m3/h,转速2950r/min,扬程120m,吸程4m㊂频率调节装置41Hz,数显压力表0.51MPa㊂空化装置选用的孔板如图3所示㊂图3㊀孔板类型Fig.3㊀Orifice type211哈㊀尔㊀滨㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀由图2㊁3可见,孔板空化器内的流体由3部分组成:入口段(长度为35mm,直径为45mm)㊁孔板通道(长度为5mm)㊁出口段(长度为190mm,直径为60mm)㊂孔板1㊁2㊁3的圆孔直径均为3mm;孔板4为边长3.5mm的正三角形孔;孔板5为边长3mm的正方形;多孔孔板的孔间距约为7.6mm㊂2.2㊀实验步骤1)向水箱内注入自来水,开启水泵运行2min,去除杂质;2)再次注水,每隔一定时间,从出水管进行取样,水样进行水浴恒温;3)固定出口压力为0MPa,调节入口压力,入口压力与出口压力差值为压差,控制压差在0.2MPa -1MPa范围内,以0.1MPa等差值递增,具体为0.2MPa㊁0.3MPa㊁0.4MPa 1MPa实验9次㊂完成一个压差后,改变入口压力重复上述实验操作; 4)结束一个孔板所有压力的实验,关闭电机,空化反应器更换孔板,重复上述实验操作㊂2.3㊀正交试验优化操作参数在空化实验过程中,操作参数同样对空化介质的性质具有很大的影响,主要为空化时间㊁介质初始温度㊁时效对空化水的电导率㊁溶解氧的影响㊂在考虑单因素的情况下,随着空化时间的增加,水溶液的电导率会逐渐升高,水溶液的溶解氧因氧气的消耗而逐渐降低,最终趋于稳定,继续增加空化时间只会产生无用的工作量;在一定范围内升高水的初始温度,有助于孔板通道内气核的析出,促进空泡内化学反应的发生,但温度过高不利于观察其性质的变化规律;空化水样在放置一段时间后,测得其稳定后的性质可保证实验的准确性㊂空化时间㊁介质初始温度㊁时效等因素均对水溶液的性质有着不同的影响,故根据现有实验设备设计操作参数组合的正交试验,以五孔孔板为参考,在0.6MPa压差下进行实验,水平因素见表1,按照L9(33)正交表进行实验,正交试验结果见表2㊂表1㊀操作参数正交试验水平因素Tab.1㊀Operating parameters orthogonal test level factors 水平123空化时间A/min306090介质初始温度B/ħ101520时效C/min102030表2㊀正交试验结果Tab.2㊀Orthogonal test results序号A B C电导率变化量/(μS/cm) 130(1)10(1)10(1)14.78 230(1)15(2)20(3)14.84 330(1)20(3)30(2)14.46 460(2)10(1)20(3)20.66 560(2)15(2)30(2)22.02 660(2)20(3)10(1)21.92 790(3)10(1)30(2)18.24 890(3)15(2)10(1)18.88 990(3)20(3)20(3)17.66K114.6917.8918.53K221.5318.5818.24K318.2618.0117.72极差R 6.840.690.81较优水平A2B2C1㊀㊀由表1可知,影响电导率变化范围最大的因素是空化时间,故将其控制在有效水平,根据K值可知A2(60min)为其最佳水平;第2影响因素为介质的初始温度,其最佳水平为B2(15ħ);对电导率影响最小的因素是水样放置时间,最佳水平为C1 (10min)㊂以上参数组合作为纯水介质水空化实验的最佳操作参数方案㊂后续水性质空化效果实验中,空化时间以60min为最长空化时间,初始温度采用15ħ,测试水样电导率时效为10min㊂2.4㊀孔板厚度对空化效应的影响实验用水的初始温度为15ħ,采用5mm㊁8mm㊁10mm厚度的孔3(五孔)孔板以0.1MPa等差值递增,在0.2MPa~1MPa压差范围内分别进行九次空化实验,空化时间为60min,每个水样等量分成三份放置10min待其稳定后进行测量,取其电导率㊁溶解氧的平均值并记录实验数据,整理得到水的电导率随压差的变化规律如图4所示㊂由图4可知,对比不同厚度孔板的电导率随压差的变化可以发现,电导率总体呈上升趋势,在0.2MPa~0.8MPa压差下,电导率(8mm)>电导率311第5期韩桂华等:孔板空化器纯水空化效应实验图4㊀电导率随压差的变化曲线Fig.4㊀Variation curve of conductivity withdifferential pressure(5mm)>电导率(10mm),说明厚度为8mm孔板的空化效果最佳,0.8MPa~1MPa时,上升趋势变缓,当压差大于0.8MPa时,10mm孔板电导率恢复上升趋势,当压差在1MPa时,电导率为142.47μS/cm 达到最佳,说明10mm孔板适合高压空化㊂分析原因:空化本质是气核不断长大直至溃灭的过程,压差在0.2MPa~0.8MPa时,厚度为5mm孔板产生的气核少于厚度为8mm孔板产生的气核,显然8mm 的孔板空化效果要优于5mm孔板,厚度为10mm 的孔板产生气核更多,但气核越多,通过孔板的沿程损失越大,气核刚产生就发生溃灭,释放的能量较少,故8mm厚度的孔板效果最好;压差在0.8MPa~ 1MPa时,高速射流中气核发育不充分,在流场内未能及时溃灭,且由于气泡的存在使溶液的导电性降低,故电导率增速变缓,随着压差升高,产生气核越多,沿程损失越大,而10mm的孔板相对较厚,空化区域较大,随着压差不断增大,孔板越厚空化效果越好㊂水的溶解氧随压差的变化规律如图5所示㊂由图5可知,纯水在空化装置的作用下,水的溶解氧随着压差的升高逐渐降低,这是因为随着压差的升高,空化强度逐渐变强,空泡溃灭释放的高温高压促使O2裂解成为㊃O参与反应,化学效应的正反应逐渐变强,O2的消耗量逐渐增加,使水中的溶解氧含量逐渐降低;对比不同厚度孔板的溶解氧随压差的变化可以发现,不同厚度孔板的溶解氧在相同压差下呈现出,压差(8mm)<压差(5mm)<压差(10mm),最小差值达到0.19mg/L,说明8mm孔板的空化效果最佳,10mm孔板的空化效果最差㊂图5㊀溶解氧随压差的变化曲线Fig.5㊀Variation curve of dissolved oxygen withdifferential pressure2.5㊀孔板孔数对空化效应的影响实验用水的初始温度为15ħ,采用厚度为8mm的图3中的孔1(单孔)㊁孔2(三孔)㊁孔3(五孔)的孔板以0.1MPa等差值递增,在0.2MPa~1MPa压差范围内分别进行9次空化实验,空化时间为60min,每个水样等量分成三份放置10min待其稳定后进行测量,取其电导率㊁溶解氧10次数据的平均值并记录实验数据,整理得到水的电导率随压差的变化规律如图6所示㊂图6㊀电导率随压差的变化曲线Fig.6㊀Variation curve of conductivity withdifferential pressure由图6可知,电导率随压差总体呈上升趋势,随着压差的升高,空化强度逐渐变强,水中化学反应平衡偏移,性质活泼的物质增多,水中易产生新的带电粒子或原有带电粒子电荷数增加,致使水的电导率逐渐升高㊂压差在0.2MPa~0.7MPa时,五孔的空化强度最佳;当压差在0.7MPa~1MPa时,3种孔411哈㊀尔㊀滨㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀板的电导率值表现为:三孔>五孔>单孔,说明三孔孔板的空化效果最佳适合高压空化㊂分析原因:单孔孔板在流量和流速方面都弱于三孔孔板和五孔孔板,空化效果差,故电导率差距较大;压差在0.2MPa ~0.7MPa 时,五孔孔板流量大于三孔孔板和单孔孔板,流量越大,过流系数越大,空化效果越好;压差在0.7MPa ~1MPa 时,随着压差不断升高,三孔孔板流速大于五孔孔板,根据能量守恒方程,动能越大,压力势能越小,当小于饱和蒸气压时,即产生空化现象,故压差越大,三孔孔板空化效果越好㊂水的溶解氧随压差的变化规律如图7所示㊂由图可知,不同孔数的溶解氧随着压差的升高逐渐降低,这是因为随着压差不断升高,空化强度逐渐变强,空泡溃灭释放的高温高压促使O 2裂解成为㊃O 参与反应,化学效应的正反应逐渐变强,O 2的消耗量逐渐增加,使水中的溶解氧含量逐渐降低;且单孔㊁三孔㊁五孔孔板的溶解氧降幅分别为:0.91mg /L㊁1.69mg /L㊁1.47mg /L,压差在0.2MPa ~0.9MPa 时,五孔的溶解氧略小于三孔孔板的溶解氧值,说明五孔孔板效果更优;压差在0.9MPa ~1MPa 时,三孔的溶解氧达到最低3.79mg /L,说明三孔孔板效果更优,更适合于高压空化㊂以上结果表明孔数对孔板空化强度影响较为显著㊂图7㊀溶解氧随压差的变化曲线Fig.7㊀Variation curve of dissolved oxygen withdifferential pressure2.6㊀孔板孔型对空化效应的影响实验用水的初始温度为15ħ,孔板厚度为8mm,以0.1MPa 等差值递增,在0.2MPa ~1MPa 压差范围内,分别对三角形㊁正方形㊁圆形孔的三孔孔板进行九次空化实验,空化时间为60min,每个水样等量分成三份进行测量,取其电导率㊁溶解氧10次实验的平均值并记录实验数据,整理得到水的电导率随压差的变化规律如图8所示㊂图8㊀电导率随压差的变化曲线Fig.8㊀Variation curve of conductivity withdifferential pressure由图8可知,电导率随着压差升高总体呈上升趋势,压差在0.8MPa ~1MPa 时,增幅逐渐变缓,这说明随着压差的升高,孔板的空化强度逐渐变强,且空化强度不会随着压差无限升高;在相同压差下,三种孔型的孔板电导率值比较接近,说明开孔率相近的情况下,孔型对孔板空化强度的影响较小,但可以看出细微差别,圆形的电导率>正方形的电导率>三角形的电导率,表明圆形孔板空化效果最好㊂分析原因:三角形孔板和正方形孔板都具有棱角,在棱角处缝隙小,流速快,根据能量守恒定律,流体动能越大,压力势能越小,当小于大气饱和蒸气压时,越容易发生空化,而且产生空化较强,但只有棱角处有空化现象,而圆形孔板一圈都可以发生空化,整体而言,圆形孔板空化效果较好㊂水的溶解氧随压差的变化规律如图9所示㊂由图可知,不同孔形状的溶解氧随压差总体呈降低趋势,这是因为随着压差不断升高,空化强度逐渐变强,空泡溃灭释放的高温高压促使O 2裂解成为㊃O参与反应,化学效应的正反应逐渐变强,O 2的消耗量逐渐增加,使水中的溶解氧含量逐渐降低压差在0.2MPa ~1MPa 下,不同孔型的溶解氧数值较为接近,可以看出细小的差别,溶解氧的数值整体表现为:三角形>正方形>圆形,表明孔形状对孔板空化强度的影响微弱,整体圆形孔板效果略好一些,方形孔板其次,三角形孔板较差一些㊂511第5期韩桂华等:孔板空化器纯水空化效应实验图9㊀溶解氧随压差的变化曲线Fig.9㊀Variation curve of dissolved oxygen withdifferential pressure3㊀结㊀论在以五孔孔板为参考,在0.6MPa压差下,通过三因素三水平正交试验,得到了操作参数的最佳水平方案:空化时间60min㊁水介质初始温度15ħ㊁水样放置时间10min,后续实验均在该操作参数下进行㊂1)随着入口压力的增加,流场的空化强度逐渐变强,溶液的电导率逐渐变大,溶解氧逐渐降低㊂2)在改变孔板厚度条件下,压差0.2MPa~ 0.9MPa内,孔板厚度厚度8mm孔板的电导率达到140.54μS/cm,空化效果最佳,压差在0.9MPa~ 1MPa内,10mm孔板的电导率达到142.47μS/cm,空化效果最佳;3)在改变孔板孔数条件下,压差在0.2MPa~ 0.6MPa内,五孔孔板的电导率达到136.51μS/cm,空化效果最佳,压差在0.6MPa~1MPa内,三孔孔板的电导率达到141.61μS/cm,空化效果最佳; 4)在改变孔板孔型条件下,压差在0.2MPa~ 1MPa内,孔型对孔板空化强度的影响微弱,整体圆形空化效果最好,方形次之,三角形最差㊂参考文献:[1]㊀JOSHI R,GOGATE P R.Degradation of Dichlorvos UsingHydrodynamic Cavitation Based Treatment Strategies[J].UItrasonics Sonochemistry,2012,19(3):532.[2]㊀MANISHA V,BAGAL,PARAG R.Degradation of2,4-dinitrophenol Using A Combination of HydrodynamicCavitation,Chemical and Advanced Oxidation Processes[J].Ultrasonics-Sonochemistry,2013,20(5):1226.[3]㊀VIRENDRA K S,MANAV A R,AQEEL A M,et al.Effect of Geometry of Hydrodynamically Cavitating De-vice on Degradation of Orange-G[J].Ultrasonics-Sono-chemistry,2013,20(1):345.[4]㊀ILGYUL,HAN J P.The Effects of Waste-activatedSludge Pretreatment Using Hydrodynamic Cavitation forMethane Production[J].Ultrasonics-Sonochemistry,2013,20(6):1450.[5]㊀李本高,马欣,龙军.工业水处理技术.第十一册[M].北京:中国石化出版社,2008:12. 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孔板空化器参数数值模拟与实验

第28卷㊀第4期2023年8月㊀哈尔滨理工大学学报JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY㊀Vol.28No.4Aug.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀孔板空化器参数数值模拟与实验韩桂华1,㊀陈林秋1,㊀李大尉2,㊀赵志伟1,㊀赵恩玉1(1.哈尔滨理工大学机械动力工程学院,哈尔滨150080;2.黑龙江省科学院高技术研究院,哈尔滨100020)摘㊀要:为了研究孔板空化器的孔数和孔板厚度对水力空化效果的影响,采用数值模拟的方法,通过压力㊁速度㊁气含率云图确定了径向监测面;借助云图观察流场内气核的析出位置及压力与气含率的分布情况,并以气相质量流率作为评判空化强度的标准定量分析孔板厚度㊁孔数在不同压差下对孔板空化特性的影响㊂实验以纯水作为介质,从水的电导率和温升的角度研究孔板空化特性,验证数值模拟的规律,在0.2~1MPa 压差下的空化效果与数值模拟相吻合,为同类空化器的设计及应用提供依据㊂关键词:孔板;数值模拟;实验;气相质量流率;电导率;温升DOI :10.15938/j.jhust.2023.04.010中图分类号:O427.4文献标志码:A文章编号:1007-2683(2023)04-0086-09Numerical Simulation and Experiment of Orifice Plate Cavitator ParametersHAN Guihua 1,㊀CHEN Linqiu 1,㊀LI Dawei 2,㊀ZHAO Zhiwei 1,㊀ZHAO Enyu 1(1.School of Mechanical and Power Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China;2.Institute of Advanced Technology,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 10020,China)Abstract :In order to study the influence of orifice number and orifice thickness of orifice plate cavitator on hydraulic cavitationeffect,the radial monitoring surface is determined by pressure,velocity and gas holdup cloud images using numerical simulation method.The precipitation position of gas core and the distribution of pressure and gas holdup in the flow field were observed by cloud images,and the influence of orifice plate thickness and number of holes on the cavitation characteristics of orifice plate under different pressure differences was quantitatively analyzed with the gas mass flow rate as the standard to evaluate the cavitation intensity.In the experiment,pure water was used as the medium to study the cavitation characteristics of orifice plate from the perspective of water conductivity and temperature rise,and the law of numerical simulation was verified.The cavitation effect under the pressure differenceof 0.2-1MPa was consistent with the numerical simulation,which provided the basis for the design and application of similar cavitation devices.Keywords :orifice plate;numerical simulation;experiment;gas phase mass flow rate;conductivity;temperature rise㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-04-02基金项目:黑龙江省自然科学基金(E2016040);国家自然科学基金(51375123);黑龙江省科学院科学研究基金(KY2020GJS03).作者简介:陈林秋(1999 ),男,硕士研究生;李大尉(1982 ),男,副研究员.通信作者:韩桂华(1972 ),女,博士,副教授,硕士研究生导师,E-mail:641544105@.0㊀引㊀言水力空化因其具有节能㊁环保㊁高效㊁产生空化的设备简单㊁成本低廉等优点迅速为人们所研究利用㊂水力空化技术已经应用在水消毒[1]㊁纳米材料合成[2]㊁废物活性污泥处理[3]㊁乳化[4]㊁细胞破坏[5]㊁生物燃料合成[6]以及清洗管道[7]等多个方面㊂水力空化是指空化由水力空化发生装置的几何结构改变液体压力而产生[8]㊂在研究过程中除了实验的方法以外我们往往采用fluent [9]进行数值模拟[10]来研究空化效果的强弱,目前研究主要集中在模拟文丘管[11]和孔板[12-14]的空化流场,本文中以孔板为例,大部分的空化发生在孔板孔内流域,最大气含率区域发生在孔板的末端,最大气含率约为100%[15]通过流线速度矢量,湍动能只能反映出是否产生空化,并且湍动能和速度矢量表达空化效果不够直观[16]㊂不同的结论,采用的评价标准不一致,压力云图[17]不能直接反应空化效果,气含率变化云图更能直接反应[18],以最大气含率作为空化表征的标准[19-20],入口压力升高,气液混合区区域越大,区域内的流体析出的气泡越多,空化效果越强,通过最大汽含率,汽相质量流率等表征方式为研究孔板结构和参数作为依据㊂本文以孔数为单孔㊁三孔㊁五孔,孔板厚度为5mm㊁8mm㊁10mm,孔型为圆孔为例,借助速度㊁压力㊁气含率云图对不同流场内空化强度的变化进行分析,云图分析方法实质是观察流场内不同色带的变化,只能反映区域内气液两相空化特性的大致变化,显而易见并且在上述基础上,本文借助气相质量流率定量分析结构参数在不同入口压力下对孔板空化特性的影响㊂1㊀孔板空化发生器的数值模拟1.1㊀孔板空化器模型选取根据孔板式空化器的结构特点,以单孔㊁五孔孔板为例,利用Creo3.0软件对空化器内的流体进行三维建模,如图1所示㊂空化装置选用的孔板如图2所示㊂图1㊀孔板空化器流体域Fig.1㊀Orificecavitator fluiddomain图2㊀孔板类型Fig.2㊀Orifice type由图1可见,孔板空化器内的流体由3部分组成:入口段(长度为35mm,直径为45mm)㊁孔板通道(长度为5mm)㊁出口段(长度为190mm,直径为60mm)㊂孔板1㊁2㊁3的圆孔直径均为3mm;多孔孔板的孔间距约为7.6mm㊂将已建模型导入ICEM 中,对模型进行拓扑检查,将进水口与出水口分别定义为Inlet 和Outlet,其余面定义为Wall㊂网格划分采用结构化网格,划分完成后如图3所示㊂图3㊀孔板空化器流场网格模型Fig.3㊀Flow field grid of orifice cavitation device1.2㊀网格无关性分析数值模拟计算结果的可靠性与网格的数量有着重要的关联,较少的网格数量得到的结果偏离实验的实际情况,但网格数量也绝非越多越好㊂一味地增加网格数量不仅对计算机的计算能力要求较高,也大大增加时间成本㊂本文对5种网格数量的单孔孔板模型进行了计算,分别为:6.8万㊁8.6万㊁10.4万㊁15.2万㊁18.2万㊂不同网格下得到的气相质量流率如表1所示㊂表1㊀网格无关性检测Tab.1㊀Grid independence detection网格数量/万6.88.610.415.218.2质量流率/(kg /s)2.20842.20982.21182.21202.2117㊀㊀由表1中数据可以看出,5种网格数下得到的气相质量流率均在2.21上下,说明流场内某截面处的气相分布是一致的,所以5种网格数量均通过了网格无关性实验,考虑到成本与计算精度,本文网格数量最终选取10.4万网格数进行数值模拟㊂本文涉及的孔板的空化模型中,孔板通道处截面积突变,该区域的网格质量直接影响模拟的计算精度,行列式Determinant2ˑ2ˑ2范围在0.8~1之78第4期韩桂华等:孔板空化器参数数值模拟与实验间,质量0.95以上网格数占比93%,完全符合两相流的计算要求㊂1.3㊀操作环境及边界条件打开FLUENT17.0流体仿真软件,读入.msh格式网格文件,对网格进行检查,确保最小体积为正值㊂同时检查网格的计算域,保证与实际模型的物理尺寸一致㊂1.4㊀设置求解参数求解器选择压力作为基础,速度属性选择绝对速度,时间属性选择非稳态流动㊂1.5㊀材料属性设置主相水(water-liquid)的密度为998.2kg/m3,次相水蒸气(water-vapor)的密度为0.02567kg/m3,黏度0.001kg/(m㊃s),比热容为4182J/(kg㊃s)㊂1.6㊀边界条件设置入口压力(total pressure)设为0.5MPa,湍流强度(turbulent intensity)设为5%,水力直径(Hydraulic diameter)为40mm;出口压力设为0MPa㊁湍流强度(turbulent intensity)设为5%㊁回流水力直径(back-flow hydraulic diameter)设置为50mm㊂1.7㊀数值计算方法及求解监测器设置本文选择基于压力求解的方式,采用PISO算法对动态流场进行求解,在孔板通道内建立径向监测面,对其单位时间内流过的气相质量进行监测㊂1.8㊀数值模拟验证与分析为了验证本文中空化模拟仿真的有效性,以五孔孔板为例,结合上述网格划分和边界条件设置,采用仿真软件Fluent对孔板内部流场进行仿真模拟,得到如图4所示在压差0.5MPa下流场内部压力云图㊁速度云图㊁气含率云图㊂从仿真云图4可以看出,孔板前后流场出现明显的变化,在图(a)中当流体进入孔板时,孔通道内压力迅速降低形成低压区,且在流动方向上呈现压力梯度的变化,高速射流在离开孔板的一段距离,仍处于低压状态,随着尾流的压力逐渐恢复,流场内前后最大压差达到2.024ˑ105Pa,为空泡的析出㊁膨胀㊁溃灭提供有利条件;从图(c)可知,受低压区影响,孔板通道及靠近孔板一侧出现高密度的气相分布,且在离开孔板的一段距离仍存在大量气泡,这是因为气泡流在高速状态下,部分未来得及溃灭的气泡被带到下游,随着流场压力逐渐恢复,气泡溃灭消失,故流场沿通流方向整体呈现出气相㊁气液混合㊁液相的分布规律,验证了流体空化过程中空泡溃灭的历程;在速度云图(b)中,流体受节流孔板的作图4㊀空板空化器流场云图Fig.4㊀Numerical calculation results of flow fieldof empty plate cavitator用,在孔通道处形成高速射流,其最大流速超过37.89m/s,由空化流体流量方程计算出水口流速为4.18m/s,这与在相同参数下的空化实验中得到的流速(4.12m/s)是比较接近的,进一步验证了数值模拟方法的有效性㊂1.9㊀孔板测面内的气相流动状态由上节的压力㊁速度㊁气含率云图可以看出,在孔板通道处形成高速射流,在出水口孔板一侧出现大量稳定的空泡云团,伴随着空泡的出生㊁发展及溃灭㊂为了研究不同结构参数下孔板空化器内的流态情况,因此将径向监测面建立在该位置处,如图5所示㊂监测流场单位时间内流过的气相质量,方便后文定量反映流场内各阶段空化强度的变化情况㊂以孔板3为参考,入口压力设置为0.6MPa时,气相质量流率随迭代次数的变化曲线如图6所示㊂由图6可知,当迭代1000次时,孔内气相质量流率收敛,说明在相同入口压力下,不同结构参数的孔板内的气相质量流率是趋于稳定的,可以对空化器内流体的空化强度进行定量分析㊂88哈㊀尔㊀滨㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀图5㊀径向监测面Fig.5㊀Radial monitoringsurface图6㊀气相质量流率与迭代次数Fig.6㊀Gas phase mass flow rate and numberof iterations2㊀孔板参数对空化效应的影响2.1㊀孔板厚度的云图分析为了讨论孔板厚度对流场空化强度的影响,分别对5mm㊁8mm㊁10mm 厚度的五孔孔板(孔板3)进行实验,得到0.2MPa㊁1MPa 不同入口压力下流场的压力㊁气含率变化的分布云图及固定监测面下气相质量流率的变化规律㊂由于仿真计算模型是三维的,为了方便查看计算结果,截取孔板流场的中心界面,得到厚度为5mm㊁8mm㊁10mm 的3号孔板,在不同进口压力下压力㊁气含率对比云图,如图7所示㊂由图7模拟结果可以看出,在不同入口压力下,3种厚度的孔板内流场均出现明显压力梯度的变化且横向分布基本一致㊂流体在进入孔板通道和下游靠近孔板一侧,其压力呈跳跃式下降形成低压区;在X 轴向流域的压力逐渐恢复,形成压力恢复区㊂随着入口压力的升高,不同厚度孔板的流场内的低压区与压力恢复区压差逐渐变大区域逐渐变大,为气图7㊀不同孔板厚度下的云图Fig.7㊀Under different orifice thickness of emptyplate cavitator核的发育提供更有利条件,即空泡在压力恢复区域停留时间越长其发育越充分,溃灭的气泡便越多,空化效应越好㊂当入口压力达到1MPa 时,压力恢复区大小趋于稳定㊂由图7中气含率云图可以看出,不同入口压力下,3种厚度的孔板内流场大致分为气相区(红色区)㊁气液混合区(黄色和绿色渐变区)㊁液相区(蓝98第4期韩桂华等:孔板空化器参数数值模拟与实验色区)3个区域,且在孔板通道的轴线方向两侧呈现对称的气相区域㊁气液混合区域㊂随着入口压力的升高,其气液混合区域变大且逐渐趋于稳定,其中8mm 孔板的流场尾流气㊁液两相分布最为均匀㊂结合对应压力云图可以发现,气相的分布均出现在低压区,与空化发生条件吻合㊂2.2㊀孔板厚度的汽相质量流率分析从仿真云图的颜色变化可以反映出流场内压力㊁气相分布区域的变化情况及气核析出㊁空化发生的位置㊂由于云图中的颜色只是个范围值,看到的只是流场内整体的变化规律㊂为了定量分析孔板厚度对空化强度的影响,以孔板3为参考,孔板厚度分别为5mm㊁8mm㊁10mm,在孔板通道内建立径向监测面,得到3种孔板厚度流场的气相质量流率,如表2所示㊂气相质量流率与压差的关系如图8所示㊂表2㊀不同孔板厚度的气相质量流率(10-5kg /s )Tab.2㊀Gas phase mass flow rate with different orifice thickness (10-5kg /s )孔板厚度压差/MPa0.20.30.40.50.60.70.80.915mm 5.6822 5.9981 6.3802 6.75827.28197.88898.48288.60898.69728mm5.86256.0228 6.42427.04627.60228.10868.40538.52648.648310mm 5.22285.72426.24626.80227.40867.80538.22648.48838.7866图8㊀气相质量流率与压差Fig.8㊀Gas mass flow rate and differential pressure㊀㊀由图8可知,随着入口压力的升高,3种厚度孔板的气相质量流率逐渐增加,当压差达到0.8MPa 时,气相质量流率变化放缓,表明不同厚度的孔板空化强度并非随着压力升高而逐渐变强;结合表2的数据对比发现,压差在0.2MPa ~0.8MPa,8mm 孔板的空化效果最佳,气相质量流率升高2.5428ˑ10-5kg /s,5mm 整体变化要优于10mm;当压差达到1MPa 时,空化强度10mm 最好,8mm 其次,5mm 最差,从而得出压力足够大时,空气温度越好则孔板越厚㊂2.3㊀孔板孔数的云图分析以8mm 圆孔孔板为参考,对不同孔数的孔板1(单孔)㊁孔板2(三孔)㊁孔板3(五孔)内流体进行模拟计算,同样为了方便查看计算结果,截取孔板流场的中心界面,得到在不同进口压力下压力㊁气含率对比云图,如图9所示㊂09哈㊀尔㊀滨㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀图9㊀不同孔板厚度下的云图Fig.9㊀Cloud diagrams at different orificeplate thicknesses㊀㊀由图9模拟结果可以看出,在不同入口压力下, 3种孔板内流场均出现明显压力梯度㊁气含率的变化且横向分布基本一致,其流场内气相分布与低压区具有相互对应的关系,大量的气核均在孔板通道内析出,沿通流方向在低压区及压力恢复区域呈对称分布,这符合空化发生的条件㊂对比云图可以看出,压差在0.2MPa~0.8MPa时,3种孔板的低压区域与气相区域逐渐变大,单孔与三孔最为明显,而五孔流场的尾流扰动比较稳定;而当压力达到1MPa 时,流场内最大气含率反而降低了4ˑ10-2,说明不能通过改变压差实现空化强度的强化㊂2.4㊀孔板孔数的汽相质量流率分析选用厚度定为8mm的圆孔孔板,分析孔数在不同压差下对孔板流场空化强度的影响,其它参数设置不变,改变孔板的孔数:孔板1㊁孔板2㊁孔板3,探究不同压差下孔数对孔板空化器内空化强度的影响㊂在不同孔板通道内建立径向监测面,得到不同孔数的3种孔板流场内气相质量流率,如表3所示㊂表3㊀不同孔数的气相质量流率(单位:10-5kg/s)Tab.3㊀Mass flow rate of gas phase with different number of holes(unit:10-5kg/s)孔板孔数压差/MPa0.20.30.40.50.60.70.80.91单孔 2.4882 2.6102 2.9924 3.4802 3.8582 4.2819 4.6889 4.9828 5.1089三孔 5.3625 5.6228 6.0242 6.74627.40228.09828.52648.82649.1483五孔 5.8625 6.0228 6.42427.04627.60228.10868.40538.52648.6483图10㊀气相质量流率与压差Fig.10㊀Gas mass flow rate and differential pressure ㊀㊀由图10可知,随着入口压力的升高,3种孔板内流体的气相质量流率不断上升,其中单孔的气相质量流率远小于另外两种孔板,且数值均在5.1089ˑ10-5kg/s以下,表明在相同工况下,单孔孔板空化器空化强度较弱,孔数过少影响孔板空化效率;三孔与五孔的气相质量流率随压力的变化较为接近,不同的是,压差为0.2MPa~0.7MPa,五孔孔板空化效果最佳,压差为0.8MPa~1MPa,三孔孔板的空化效果较好,孔板通道内单位时间内通过监测面的气相质量反超五孔孔板,最大差值达到5ˑ10-6kg/s,说明不同孔数的孔板在不同的工况下其空化特性的表现存在差异㊂3㊀实㊀验3.1㊀实验装置本文水力空化实验原理如图11所示,具体实物装置如图12所示㊂该实验装置主要由水箱㊁冷凝管㊁空化反应器㊁温度计㊁流量计㊁压力表㊁调节阀及管道系统组成㊂3.2㊀孔数与温升实验在入口压力为0.5MPa下,对图2中的孔1(单孔)㊁孔3(五孔)孔板分别进行水力实验,每隔10min读取孔板式空化器上,温度表的示数,并记录数据,其值如表4所示㊂19第4期韩桂华等:孔板空化器参数数值模拟与实验图11㊀实验原理图Fig.11㊀Experimentalschematic图12㊀实验装置实物图Fig.12㊀Physical image of experimental device 表4㊀空化时间对溶液温度的影响(单位:ħ)Tab.4㊀The effect of cavitation time on solutiontemperature (unit :ħ)孔数空化时间/min010********单孔15.115.816.41717.618.3五孔15.117.318.820.822.925.1㊀㊀入口压力为0.5MPa,流体的温度随空化时间的变化如图13所示㊂图13㊀水的温度变化Fig.13㊀Change of water temperature㊀㊀从温升的角度,在压力相同(0.5MPa)的情况下,五孔孔板强于单孔孔板㊂这一结论与数值模拟结论一致,证明温升可以作为表示空化强度的一个指标㊂孔板式空化器内溶液的温升主要来源于两个方面:一方面是空化过程中的热效应,在空泡溃灭时,释放的高温形成了局部的温度梯度,使溶液的温度升高;另一方面是在孔板的节流憋压的过程中,水泵的机械能转化为热能,使溶液的温度升高㊂3.3㊀孔板厚度与电导率实验为了排除温升的影响,采用水浴恒温处理㊂实验用水的初始温度为15ħ,采用5mm㊁8mm㊁10mm 厚度的孔3(五孔)孔板在0.2MPa ~1MPa 9个压差下分别进行空化实验,空化时间为60min,每个水样等量分成3份放置10min 待其稳定后进行测量,取其电导率的平均值并记录实验数据,整理得到电导率的实验数据如表5所示㊂表5㊀不同厚度孔板的电导率值(μs /cm )Tab.5㊀Conductivity values of orifice plates with different thickness (μs /cm )孔板孔数压差/MPa0.20.30.40.50.60.70.80.91单孔120.48121.80123.78124.92126.22127.50128.71129.78130.32三孔126.46127.68129.87132.91136.28139.04139.98141.11141.61五孔130.18131.26132.66134.89136.51138.86139.77140.54141.00㊀㊀由图14可知,从图中可以看出在压差为0.2MPa ~1MPa 时电导率随着压差升高而升高,这是由于纯水经过空化作用下使水中发生化学反应,使水中带电离子数变多,致使测得电导率越来越大㊂当压差达到0.7MPa,尤其是三孔和五孔电导率上升比较缓慢,当流场中存在高速区,当气泡在经过压29哈㊀尔㊀滨㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀力恢复区时,没有发育完全,使其气泡无法破灭,由于流场中纯在气液混合相,迫使流场内导电性下降,使流场内的导电率增加缓慢,在0.2MPa ~0.7MPa 压差下,电导率值大小依次为五孔最佳,三孔其次单孔最差,五孔的空化强度最好,当0.8MPa 时三种孔板电导率依次由大到小依次表现为三孔>五孔>单孔,从而间接性表明三孔孔板更适合高压㊂图14㊀电导率与压差Fig.14㊀Conductivity and voltage difference4㊀结㊀论利用了Fluent 软件,建立孔板空化器的计算模型探究了数值模拟是否可以验证空化效果强弱并且通过实验进行验证得出数值模拟结果与实验一致,还考察了孔板厚度,孔数对空化效果的影响得出以下结论1)在空化过程中,通过压力㊁速度㊁气含率云图不难看出,在孔板通道处形成高速射流,在孔板出水口侧出现大量稳定的空泡云团,伴随着空泡的出生㊁发展及溃灭㊂2)以数值模拟为依据当孔板厚度为5mm㊁8mm㊁10mm,压差为0.2MPa ~0.8MPa 时,8mm 孔板的空话效果最佳,气相质量流率升高2.5428ˑ10-5kg /s ,5mm 孔板要优于10mm 孔板当压力差为1MPa 时,空化强度10mm 最佳,8mm 其次,5mm 最弱,表明当压力大到一定程度时,孔板厚度越大空化强度越大㊂3)从孔数来说当压力差为0.2MPa ~0.7MPa 时,五孔的空化效果最好,0.8MPa ~1MPa 时,三孔的空化效果最好,其次单孔的空化效果比较差,从中表明在不同情况下孔板的不同孔数产生的空化特性也不相同㊂4)从实验角度为依据,温升是衡量空化效果指标之一,在0.5MPa 时随着时间越来越长,五孔的温度要高于单孔的温度,说明五孔的空泡溃灭程度比单孔更剧烈,所以五孔要优于单孔,这与数值模拟的结果是一致的㊂5)从水的电导率可以看出在0.2MPa ~0.8MPa压差下,电导率值大小依次为五孔最佳,三孔其次单孔最差,通过电导率说明孔数为五孔的空化效果最佳,当压差高于0.8MPa 时,三孔最好,说明三孔孔板更适合高速高压的工况㊂参考文献:[1]㊀SUN X,JONG J P,HYUN S K,et al.Experimental In-vestigation of the Thermal and Disinfection Performancesof a Novel Hydrodynamic Cavitation Reactor[J].Ultra-sonics Sonochemistry,2018,49(8):101.[2]㊀SUN X,XUAN X,L J,et al.A Novel Continuous 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多孔孔板水力空化可视化与数值模拟

多孔孔板水力空化可视化与数值模拟何志霞;陈驭航;纪长浩【摘要】基于自行搭建的多孔孔板空化反应装置,采用高速数码摄影和长工作距离显微成像技术,对多孔板中心孔内和孔L板末下游进行空化特性试验研究,并分析了人口压力、空化数等参数对孔板水力空化的影响.试验结果显示:随着入口压力升高,孔内空化数不断下降且开始产生空化.孔板内和孔板下游都有空化区存在,且孔内空化对下游空化区影响大.数值模拟结果显示孔内空化与试验相符合,且下游空化区的产生是由孔内空化云脱落至下游漩涡区引起的.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2016(047)002【总页数】6页(P396-401)【关键词】多孔孔板;空化;可视化;数值模拟【作者】何志霞;陈驭航;纪长浩【作者单位】江苏大学能源与动力工程学院,镇江212013;江苏大学能源研究院,镇江212013;江苏大学能源与动力工程学院,镇江212013;江苏大学能源与动力工程学院,镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TV131空化是一种非常复杂的流体动力学现象，利用其溃灭同时会产生瞬时高温高压及强烈的冲击波及微射流[1]，有望起到增加非均相液体混合效果和强化传质传热的效果。

针对这一特性，将空化效应应用于制备生物柴油、乳化柴油等领域[2-4]。

多孔孔板水力空化技术则由于其装置简单、能源环保等优点成为一大研究热点。

国内外针对多孔孔板结构如开孔率、孔板厚度、开孔形状的实验和数值模拟计算研究较多[5-9]。

文献[10]针对多孔孔板进行阻力系数分析并且对孔板下游进行拍摄，使用Matlab处理图片灰度来表征空化的强度，但对于孔板孔内和孔出口下游的空化区研究较少。

高速流体通过多孔孔板时，由于孔内压力的下降而产生空化，并在孔内末端和下游压力恢复区溃灭并产生微射流和强烈的压力波动从而达到强化非均相液体混合等作用，且通过多孔孔板的射流受到空化作用后互相掺混，形成剪切湍流，在管壁附近产生回流漩涡等一系列复杂流场[11-12]。

轴流泵叶轮内空化流动实验研究与数值计算的开题报告

轴流泵叶轮内空化流动实验研究与数值计算的开题报告一、研究背景和意义轴流泵作为流体输送和转移的重要设备，在化工、能源、水利、航空等领域得到广泛应用。

而叶轮内空化流动是一个普遍存在于轴流泵中的问题，它是指在泵工作时，由于叶轮周围的流体速度过快，便会形成低压区，产生气蚀现象，从而导致泵的性能下降、运行不稳定、甚至设备损坏等问题。

因此，对叶轮内空化流动进行实验研究和数值计算，具有重要的理论意义和工程应用价值。

二、研究内容和方法1. 研究内容本次研究主要针对轴流泵叶轮内空化流动展开实验研究和数值计算，主要包括以下几个方面：（1）叶轮内空化流动的物理特性、机理和影响因素进行研究和分析；（2）通过实验测量和数值模拟分析，确定叶轮内不同位置和不同工况下的气蚀特性、气蚀量和泵的性能表现；（3）基于实验和数值模拟结果，对轴流泵叶轮内空化流动的优化方案进行探讨和尝试。

2. 研究方法（1）实验方法：采用基于物理模型的实验方法，通过测量不同工况下叶轮内气蚀现象的特点和数量，掌握叶轮内气蚀流动的规律和机理。

（2）数值模拟方法：采用CFD软件对叶轮内空化流动进行数值模拟，通过建立数学模型、求解数学方程，对叶轮内气蚀现象和流场特征进行分析和预测。

三、预期研究成果1. 研究前景通过实验和数值模拟的结合，可以准确地掌握轴流泵叶轮内空化流动的规律和机理，为提高轴流泵的气蚀抗性、提高泵的性能和可靠性提供理论依据和技术支持。

同时，可以为轴流泵优化设计提供新的思路和方法。

2. 预期成果（1）揭示轴流泵叶轮内空化流动的物理特性和机理；（2）确定叶轮内不同位置和不同工况下的气蚀特性、气蚀量和泵的性能表现；（3）对轴流泵叶轮内空化流动的优化方案进行探讨和尝试。

四、研究计划和进度安排1. 研究计划（1）文献调研：梳理相关文献，深入了解轴流泵叶轮内空化流动的研究进展。

（2）叶轮内空化流动实验：设计合理的实验方案，搭建实验平台，开展叶轮内空化流动实验研究。

节流孔板的原理及限流计算

节流孔板的原理及限流计算节流孔板的原理管道的前后压差较大时，往往采用增加节流孔板的方式，其原理是:流体在管道中流动时，由于孔板的局部阻力，使得流体的压力降低，能量损耗，该现象在热力学上称为节流现象。

该方式比采用调节阀要简单，但必须选择得当，否则，液体容易产生汽蚀现象，影响管道的安全运行。

1汽蚀现象节流孔板的作用，就是在管道的适当地方将孔径变小，当液体经过缩口，流束会变细或收缩。

流束的最小横断面出现在实际缩口的下游，称为缩流断面。

在缩流断面处，流速是最大的，流速的增加伴随着缩流断面处压力的大大降低。

当流束扩展进入更大的区域，速度下降，压力增加，但下游压力不会完全恢复到上游的压力，这是由于较大内部紊流和能量消耗的结果。

如果孔板下游的压力p2仍低于液体的饱和蒸汽压力，汽泡将在下游的管道继续产生，液汽两相混合存在，这种现象就是闪蒸。

由于汽泡中的气体和蒸汽来不及在瞬间全部溶解和凝结，在冲击力作用下又分成小汽泡，再被高压水压缩、凝结，如此形成多次反复，并产生一种类似于我们可以想象的砂石流过管道的噪音，此种现象称为空化(见图2)。

流道材料表面在水击压力作用下，形成疲劳而遭到严重破坏。

我们把汽泡的形成、发展和破裂以致材料受到破坏的全部过程称为汽蚀现象。

闪蒸和空化的主要区别在于汽泡是否破裂。

存在闪蒸现象的系统管道，由于介质为汽水两相流，介质比容和流速成倍增加，冲刷表面磨损相当厉害，其表现为冲刷面有平滑抛光的外形。

闪蒸也产生噪音和振动，但其声级值一般为80 dB以下，不超出规范规定的许可范围。

节流孔板的原理及限流计算

该方式比采用调节阀要简单，但必须选择得当，否则，液体容易产生汽蚀现象，影响管道的安全运行。

1汽蚀现象节流孔板的作用，就是在管道的适当地方将孔径变小，当液体经过缩口，流束会变细或收缩。

流束的最小横断面出现在实际缩口的下游，称为缩流断面。

在缩流断面处，流速是最大的，流速的增加伴随着缩流断面处压力的大大降低。

当流束扩展进入更大的区域，速度下降，压力增加，但下游压力不会完全恢复到上游的压力，这是由于较大内部紊流和能量消耗的结果。

如果孔板下游的压力p2仍低于液体的饱和蒸汽压力，汽泡将在下游的管道继续产生，液汽两相混合存在，这种现象就是闪蒸。

流道材料表面在水击压力作用下，形成疲劳而遭到严重破坏。

我们把汽泡的形成、发展和破裂以致材料受到破坏的全部过程称为汽蚀现象。

闪蒸和空化的主要区别在于汽泡是否破裂。

存在闪蒸现象的系统管道，由于介质为汽水两相流，介质比容和流速成倍增加，冲刷表面磨损相当厉害，其表现为冲刷面有平滑抛光的外形。

闪蒸也产生噪音和振动，但其声级值一般为80 dB以下，不超出规范规定的许可范围。

大型空分设备用低温液体膨胀机内流及空化特性数值研究

大型空分设备用低温液体膨胀机内流及空化特性数值研究司马铭1，孙金菊2，宋　鹏３，徐广磊４，王　科５（1、4．开封空分集团有限公司设计研究院，河南省开封市魏都路189号　475004；2、3、5．西安交通大学能源与动力工程学院，陕西省西安市咸宁西路28号　710049）摘要：针对大型内压缩空分流程，研制出一台低温液体膨胀机用于替代高压液体节流阀，以降低空分系统能耗。

液体膨胀机内部空化流动会诱发转子振动，影响运行安全。

文章将多相流模型与气泡动力学Rayleigh-Plesset模型相结合，研究了液体膨胀机低温空化特性。

首先模拟了低温液氮水翼流动，利用实验数据验证了空化模型和数值方法。

进一步将液体膨胀机蜗壳、可调喷嘴、叶轮以及扩压管作为整体进行建模，研究了液体膨胀机两相汽化的演变机理，探明了设计流量和非设计流量下膨胀机空化特性。

关键词：大型空分设备；低温液体膨胀机；低温空化；节能中图分类号：TB653 文献标识码：BApproach to characteristic values of the inner ﬂ ow and cavitationof the gyroscopic liquid expander for large sized air separation plant Sima Ming1，Sun Jinju2，Song Peng3，Xu Guanglei4，Wang Ke5（1，4．Design & Research Institute，Kaifeng Air Separation Group Co.， Ltd.， 189#Weidu Road，Kaifeng 475004， Henan，P. R. China； 2，3，5．School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， 28#West Xianning Road， Xi’an 710049， P. R. China）Abstract：As per the large sized inner compression air separation process， one gyroscopic liquid expander is developed to substitute the high-pressure liquid throttle valve so as to reduce the energy consumption of the air separation system. The inner cativation flow of the liquid expander will introduce vibration of the rotor and impair the run safety. Here， the characteristics of gyroscopic cativation of the liquid expander are approached in combination of the multi-phase flow model and bubble dynamic Rayleigh-Plesset model. At first， the flow of the gyroscopic liquid nitrogen hydrofoil is simulated， and the cativation model and value method is further validated with experiment data. Then， the scroll， adjustable nozzle， impeller and diffuser tube are modeled as an integral， the two-phase gasification evolution is studied， and the cativation characteristics of the expender under the designed flow and the non-designed flow are ascertained.Keywords：Large sized air separation plant； Gyroscopic liquid expander； Gyroscopic cativation； Energy-saving收稿日期：2016-09-08作者简介：司马铭，1966年生，男，工程师，现在开封空分集团有限公司设计研究院从事透平机械设计研发工作，设计研究院室主任。

二级节流阀口空化特性表征研究

二级节流阀口空化特性表征研究李四海1 袁士豪21.浙江省特种设备检验研究院,杭州,3100202.浙江制氧机集团有限公司,杭州,310004摘要:探讨了二级节流阀口空化概率的表征,并在经典空化数σ基础上提出了适用于二级节流阀口空化剧烈程度表征的空化指数计算式㊂在节流阀口空化表征基础上研究了U 形和V 形节流阀口的空化特性曲线,得出如下结论:U 形和V 形节流阀口的空化气蚀剧烈区始终集中在较小过流截面A 2上,并且当阀口体积流量方向反转时节流空化特性表现出明显差异;当流体流入过流截面A 1时A 2截面上的空化指数要大于流体流出过流截面A 1时A 2截面上的空化指数,从宏观上则反映为流入截面A 1时的体积流量要小于流出A 1时的体积流量㊂关键词:节流阀口;空化表征;特性曲线;体积流量中图分类号:T H 137.52 D O I :10.3969/j.i s s n .1004132X.2015.16.007S t u d y o nT w o ‐s t a geT h r o t t l eP o r t C a v i t a t i o nC h a r a c t e r i z a t i o n L i S i h a i 1 Y u a nS h i h a o21.Z h e j i a n g S p e c i a l E q u i p m e n t I n s p e c t i o n I n s t i t u t e ,H a n gz h o u ,3100202.Z h e j i a n g H a n g y a n g G r o u p ,H a n gz h o u ,310004A b s t r a c t :T h e c a v i t a t i o n c h a r a c t e r i z a t i o n o f t w o s t a g e t h r o t t l e p o r tw a s s t u d i e d ,a n du s i n g cl a s s i c a l c a v i t a t i o nd e f i n i t i o n σ,n e w ‐f o r mc a v i t a t i o n c h a r a c t e r i z a t i o n i n d e xw a s o b t a i n e d ,w h i c hw a s a p pl i c a b l e ,t o t w o s t a ge t h r o t t l e p o r t .I n t h e c a l c u l a t i o nf o r m u l a e o f n e w ‐f o r mc a v i t a t i o n c h a r a c t e r i z a t i o n i n d e x ,a l l d e s ig n p a r a m e t e r s n e e d e db y t w o ‐s t a g e th r o t t l e p o r tw e r ei n c l u d e d .A p p l y i n g th e c a l c u l a t i o n f o r m u l e ,c a v i t a t i o n c h a r a c t e r i z a t i o n c u r v e s o fUa n dVt h r o t t l e p o r t sw e r e p l o t t e d ,a n d i t i so b s e r v e d f r o mt h ep l o t s t h a tw h e t h e rUo rVt h r o t t l e p o r t ,c a v i t a t i o n c o n c e n t r a t i o n r e g i o n i s a l w a ys a r o u n d s e c t i o n A 2,a n d t h a t t h e c a v i t a t i o n c h a r a c t e r i z a t i o n i n d e xo f s e c t i o n A 2w h e n l i q u i d f l o w s i n t o s e c t i o n A 1i s a l w a y s l a r g e r t h a n t h a t o f A 2w h e n l i q u i d f l o w s o u t f r o ms e c t i o n A 1;t h em a c r o s c o pi c p h e n o m e n a i s t h a t f l o w r a t e s o f d i f f e r e n t f l o wd i r e c t i o n s a r ed i f f e r e n t ,a n d a l s o f l o wr a t e o u t o f s e c t i o n A 1i s l a r ge r t h a n t h a t of f l o wr a t e i n t o s e c t i o n A 1.K e y wo r d s :t h r o t t l e p o r t ;c a v i t a t i o n c h a r a c t e r i z a t i o n ;c a v i t a t i o n c u r v e ;f l o wr a t e o f v o l u m e 收稿日期:201408040 引言高性能多路阀是工程机械㊁农业机械等现代化设备液压控制系统中的关键控制器件,通过多路阀来控制系统油路的通断可以实现液压执行机构的复杂复合动作,故多路阀性能的优劣会对高性能液压机械的工作性能产生较大的影响㊂当系统外部负载具有较大的时变性时,多路阀阀芯将处于恶劣工况,节流阀芯过大的压降将会使阀芯节流处于剧烈的空化气蚀状态,这将会对液压阀的寿命产生非常大的影响㊂为了尽可能地抑制节流阀口的空化气蚀现象,在实际节流阀口的设计中会较多地应用异形分压节流阀口,异形分压节流阀口具有多个分压节流截面,可以较好地分散阀口过大的节流压降[1‐3]㊂到目前为止,应用通用流场有限元分析软件对液压阀内部流道的流场进行有限元分析的研究已经取得了不少成果[4‐6]㊂还有学者针对液压阀㊁液压泵等液压元件进行了仿真加试验的研究[7]㊂同全周阀口节流相比,异形分压节流阀口的水力直径较大,抗阻塞性较好,且容易获得较小的稳定流量㊂然而到目前为止,对影响分压节流阀口节流性能的关键因素空化现象的研究还不是很多,至于用量化手段表征空化现象的研究则更加鲜见㊂本文研究了表征节流阀口空化特性的空化指数的数学表达形式,从经典空化数σ的定义出发,探讨了适合于二级节流阀口空化剧烈程度表征的空化数计算公式,并将其运用到典型二级节流阀口(U 形和V 形节流阀口)的空化特性分析㊂1 二级节流阀口空化特性的表征空化现象是阀口节流中最难解决的问题之一,由于阀口设计等原因,节流阀口的节流过程往往伴随着阀口剧烈的空化气蚀现象,使液压阀的使用寿命大大缩短㊂空化气泡的产生不仅与流体的气液分离压力p g 有关,还与液体中气核的大小和数量有直接的关系㊂为了量化空化气泡产生的㊃5612㊃二级节流阀口空化特性表征研究李四海袁士豪Copyright ©博看网. All Rights Reserved.客观条件,人们提出了量纲一初生空化数的概念,以此表征不同条件下空化气泡产生的概率,经典的量纲一空化数σ定义为σ=p ∞-p g12ρv 2∞(1)式中,p ∞为参考流体的绝对压力;v ∞为参考流体的速度;ρ为液体密度㊂其中,p ∞与v ∞是相对应的,即v ∞为压力方向的来流速度㊂显然,经典空化数σ的计算中需要知道所关注流场的压力和流体速度,而在实际中要想计算出节流阀口的节流速度是很困难的,为此要想较好地表征节流阀口的空化气蚀特性,就必须重新寻找新的空化指数计算形式,以使其适用于分压节流阀口㊂一般,当某一流场存在压降Δp 的时候,在该流场附近会存在一个流场压力的最小值p m i n ,定义该流场区域内的最小压力系数C p m i n为C p m i n=p m i n -p ∞12ρv 2∞(2)从式(2)中可以看出,当该流场内的最小流体压力值p m i n 到达气液分离压力p g 附近时,最小压力系数C p m i n 在数值上与经典空化数σ相等㊂忽略油液的重力势能,则理想伯努利方程可以写为p2-p ∞=ρ(v 2∞-v 22)2(3)式中,p 2为阀口过流截面压力;v 2为阀口过流截面平均速度㊂此处,p ∞和v ∞分别为液压流道内压力和液压流道入口处平均速度㊂一般液压阀流道的特征尺寸d 相对于其阀芯的阀口几何尺寸k 要大得多,即d ≫k ;又由几何关系知:液压阀流道的过流截面A d 的面积S d 与阀口过流截面A k 的节流面积S k 的比值与特征尺寸之间存在如下关系:S dS k ∝(d k)2由此可知:液压流道的过流面积S d 与阀口过流截面节流面积S k 也满足S d ≫S k ㊂忽略油液可压缩性,由于体积流量q V d =q V k ,且S d ≫S k ,则由此推知液压阀流道内的流速v ∞与阀口节流截面的流速v 2满足v ∞/v 2≪1㊂则式(3)可简化为p ∞-p2≈ρv 222(4)参考流场最小压力系数C p m i n的定义,这里定义节流阀口流场的最小压力系数C 'p m i n 为C 'p m i n |p m i n =pg=p ∞-p gp ∞-p2(5)由式(5)可知节流阀口流场的最小压力系数C 'p m i n的值一般是大于1的,在实际中总是希望能够表征节流阀口发生空化气蚀现象可能性的大小,因此为了使节流阀口流场的最小压力系数C 'p m i n与概率意义上的发生可能性建立联系,取C 'p m i n 的倒数作为表征节流阀口空化的数值,即将节流阀口空化指数σ定义为σ=1C 'p m i n|p m i n =p g =p ∞-p 2p ∞-p g (6)其中,p ∞看作是节流阀口入口压力,p 2为节流阀口出口压力,一般对于多路换向阀口节流,p2≫p g ㊂从式(6)可以看出,阀口的入口压力p ∞增大时,节流阀口空化指数σ减小;提高节流出口背压p2时,空化指数σ也相应减小㊂这与之前对空化气蚀现象的分析是吻合的,用式(6)所定义的节流阀口空化指数σ是合理的㊂为适应分压节流阀口节流空化气穴指数的表征要求,可分别计算过流截面A 1㊁A 2的空化指数σ1㊁σ2㊂依据式(6),定义了分压节流阀口过流截面A 1㊁A 2上的空化指数σ1㊁σ2,即σ1=p 1-p 2p 1-p g σ2=p 2-p 3p 2-p üþýïïïïg (7)其中,p 1可视为节流阀口的入口压力,p2则近似认为是两个过流截面A 1㊁A 2之间区域内的平均压力,p3则视作节流阀口出口背压㊂由U 形节流槽和V 形节流槽的节流特性可以确定在过流截面A 1㊁A 2上的节流压降分配满足下式:Δp 1Δp2=(C q 2S 2C q 1S 1)2(8)其中,C q 1S 1㊁C q 2S 2为考虑了节流阀口加工工艺性的等效节流截面面积㊂考虑到节流阀口各个过流截面上的节流压降与阀口总的节流压降之间的关系,并将式(7)作适当的数学形式的变化,最终得到了节流阀口空化指数的计算式:σ1=1-11+(C q 2S 2C q 1S 1)21p 3Δp 2+11-p gp1σ2=1-[1+(C q 2S 2C q 1S 1)21p 3Δp2+1]p 3p11-[1+(C q 2S 2C q 1S 1)21p 3Δp2+1]p g püþýïïïïïïïïïïïï1(9)㊃6612㊃中国机械工程第26卷第16期2015年8月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.式(9)中所有参数均可以在设计时就确定,从而为设计高性能液压阀的阀口节流形式提供了一定的理论依据㊂对于式中过流截面A 2上的节流压降Δp 2,可按照节流压降的分配原则用节流阀口总压降Δpt o t a l 表达:Δp2=Δp t o t a l 1+(C q 1S 1C q 2S 2)2=p 1-p 31+(C q 1S 1C q 2S 2)2(10)将式(10)代入式(9)中,得到了依赖于外部设计参数的节流截面空化指数计算式:σ1=1-11+k 2m 1-p gp1σ2=1-(1+k 2m )p 3p 11-(1+k 2m )p gp üþýïïïïïïïï1(11)m =(1+1k 2)1p 1p3-1+1k =C q 2S 2C q 1S 1一般我们要研究的空化气蚀现象往往发生在阀口压降较大的时候,为了研究节流阀口在无背压p 3(即阀口压降很大)时候的空化特性,可将式(11)变化为σ1=1-11+k 21-p gp1σ2=1-(1+k2)p 3p11-(1+k 2)p g püþýïïïïïïïï1(12)式(12)是在假设流体是从过流截面A 1流入节流阀口的前提下得出的,当液流体积流量q V 反向时,即油液从过流截面A 1流出时,节流截面空化指数的计算式要修正为σ1=1-(1+k2)p 3p 11-(1+k 2)p g p1σ2=1-11+k21-p gpüþýïïïïïïïï1(13)其中,k 也相应修正为k =C q 1S 1C q 2S 2由式(12)和式(13)可知,对于二级节流阀口的空化特性,只需要明确设计参数就可以量化所设计的二级节流槽空化性能,从而可大大缩短节流阀口的设计周期㊂2 二级节流阀口空化特性分析由空化特性的表征公式可知,要获得节流阀口的空化特性,必须首先得到节流阀口的过流截面A 1和A 2的节流面积大小㊂依据图1中U 形和V 形节流阀口的结构简图,可以得到U 形和V 形节流阀口节流截面的面积随着阀口开度X 的变化函数S 1(X )㊁S 2(X )㊂(a )U 形节流阀口(b )V 形节流阀口图1 U 形和V 形节流阀口几何特征参数根据图1所示,对于U 形节流阀口,当节流阀口开度X <R 时,两个过流截面A 1㊁A 2的面积可按下式计算:S 1=R 2ar c c o s (R -X R )-(R -X )X (2R -X )S 2=2H X (2R -X })(14)当节流阀口开度X ≥R 时,由图1知过流截面面积S 2变成了定值,S 1则继续增大,直到节流阀口全开㊂即S 1=πR 22+2R (X -R )S 2=2}R H (15)而对于V 形节流阀口,阀口过流截面面积S 1始终要大于S 2㊂由于阀芯尺寸相对于V 形节流阀口要大得多,因此可以将边界包络线简化成直线,则S 1㊁S 2的近似计算式为S 1=X 2L H t a n θ2S 2=(H L X )2t a n θüþýïïïï2(16)将式(14)~式(16)代入式(12)和式(13),并代入U 形节流阀口的结构参数(L =6mm ,H =2mm ,R =1mm )和V 形节流阀口的结构参数(L =6mm ,H =1mm ,θ=80°),得到了U 形节流阀口和V 形节流阀口在过流截面A 1㊁A 2附近的空化指数曲线㊂㊃7612㊃二级节流阀口空化特性表征研究李四海袁士豪Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图2为U形节流阀口的空化特性曲线㊂从流入流出过流截面A1的空化指数特性曲线可以发现,在过流截面A1附近,当液流方向是流入过流截面A1时,其空化指数σ1A1i要小于液流流出过流截面A1时的空化指数σ1A1o;同理,液流方向是流入过流截面A1时,在过流截面A2上的空化指数σ2A1i 要大于液流流出过流截面A1时的空化指数σ1A1o ㊂在同样的阀口外部流场条件下,发现对于U形节流阀口,其空化气蚀剧烈的区域始终集中在过流截面A2上,但是在液流方向不同的时候,图2 流入流出A1时U形节流阀口空化指数σ1、σ2其空化的剧烈程度还是表现出了明显的不同㊂同样是过流截面A2,在液流流入过流截面A1的时候,其空化剧烈程度要明显高于液流流出过流截面A1时,且在流出过流截面A1的时候,在A2上不容易产生空化饱和现象,而在流入过流截面A1时,过流截面A2的空化指数σ2A1i在很小的阀口开度X时就出现空化饱和现象,即在A2上空化剧烈程度相当高㊂虽然在过流截面A1上,当液流流入A1时的空化指数σ1A1i 要小于流出A1截面时的空化指数σ1A1o,但从总体来看,空化气蚀剧烈程度始终是流入A1截面时要大于流出A1截面时㊂当液流流入A1时,在很小的阀口开度X下,空化气蚀现象就迅速向过流截面A2上集中,随后A2上空化指数σ2A1i迅速达到饱和,而A1上的空化剧烈程度却迅速下降,整个阀口开度的变化过程除了在阀口开度很小的一段时间内,流入过流截面A1时的空化特性基本上体现在过流截面A2上㊂相对于流入过流截面A1时,液流流出过流截面A1时的空化特性的变化相对要均衡一些㊂在小阀口开度下,液流流出过流截面A1时,在A1过流截面会出现短暂的空化饱和现象,随着阀口开度的增大,在A1过流截面的空化剧烈程度降低,而在过流截面A1上的空化指数虽然也会上升,但其上升的速率明显远小于液流流入A1时,且在液流流出过流截面A1时U形分压节流槽发生空化饱和的概率远小于流入过流截面A1时㊂为了验证关于空化气蚀的理论分析,设计了液压流量实验系统㊂由图3实验原理可以知道:左侧为实验节流阀口入口压力调定部分㊂从变量泵2泵出的液压油经过高压软管3㊁滤波装置4和过滤器5进入节流入口㊂变量泵出口处的高压软管和滤波装置可以最大限度地衰减液压油的压力波动,从而获得更加稳定的压力流量㊂1.稳压阀2.变量泵3.高压软管4.滤波装置5.液流过滤器6.流量计 7㊁8㊁9㊁10.压力传感器 11.背压阀图3 二级节流阀口实验原理调定U形和V形节流阀口入口压力㊁出口压力分别为5M P a㊁0.1M P a和3M P a㊁0.1M P a,并设置不同的阀口开度,记录在不同阀口开度下的体积流量㊂图4为U形节流阀口流量实验曲线(入口压力分别为5M P a㊁3M P a,出口压力均为0.1M P a),由图4可知:当液流的流向相反时,其流量会出现不相等的现象㊂图4 流入流出A1时U形节流阀口体积流量实验值在图4中,给出了在不同进出口压力下的U 形分压节流阀口的过流流量实验值㊂从该实验曲线中可以看出:在阀口开度X的中间区段,液流流出过流截面A1时的体积流量q V A1o要稍大于流入过流截面A1时的体积流量q V A1i;当处于小阀口开度X或接近阀口全开的时候,液流流入过流截面A1时的体积流量q V A1i与流出A1时的体积流量q V A1o基本上相当㊂这从U形节流阀口节流空化特性曲线(图2)可以得到解释:在阀口开度X㊃8612㊃中国机械工程第26卷第16期2015年8月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.较小的时候,当液流流入过流截面A 1的时候,过流截面A 1和A 2上的空化指数σ1A 1i 和σ2A 1o 的数值都比较大,且A 1㊁A 2上的空化剧烈程度分布相对较均衡,σ1A 1i 和σ2A 1i 的数值与当液流流出A 1时在截面A 1上的空化指数σ1A 1o 非常接近,即在小阀口开度时流入㊁流出A 1截面的液流在U 形节流阀口内的空化剧烈程度相近,在抵消空化气泡影响后的实际通流截面很接近,宏观上即表现为小阀口开度时流入㊁流出过流截面A 1的体积流量在数值上基本相等;当阀口开度接近全开的时候,流入㊁流出过流截面A 1时的空化剧烈集中区始终在过流截面A 2上,且体积流量流向相反时空化指数σ2A 1i ㊁σ2A 1o 基本一样,宏观表现为接近阀口全开时流入㊁流出截面A 1的体积流量q V A 1i 和q V A 1o 基本相等;当阀口开度X 处于中间区域时,流入截面A 1时,空化饱和区很快就集中在过流截面A 2上,此时U 形节流阀口的体积流量q V A 1i 基本达到饱和状态,不再随着阀口开度的增大而继续增大㊂而当液流流出过流截面A 1时,由图2可知,在过流截面A 1和A 2上的空化指数并没有出现很大差值,即在液流流入A 1时,过流截面上的空化剧烈程度比较均衡,并没有出现明显的空化程度剧烈的集中区,且σ1A 1i 和σ2A 1o 均小于液流流入A 1时的σ2A 1i ,从宏观角度看就表现为在阀口开度的中间区域内流入过流截面A 1的体积流量q V A 1i 要稍小于流出过流截面A 1的体积流量q V A 1o ㊂与U 形节流阀口相似,将V 形节流阀口过流截面A 1㊁A 2的面积计算式(式(17))代入式(13)和式(14),得到V 形节流槽空化特性曲线,如图5所示㊂图5 流入流出A 1时V 形节流阀口空化指数σ1、σ2从图5可以看出对于V 形分压节流阀口而言,当液流流入过流截面A 1的时候,在过流截面A 2上的空化指数σ2A 1i 要大于流出截面A 1时的空化指数σ2A 1o ;当液流流出过流截面A 1时,在A 1截面上的空化指数σ1A 1o 要明显大于液流流入A 1时的空化指数σ1A 1i ㊂由图4亦可以看出对于V 形节流阀口,其空化气穴的集中区域始终位于过流截面A 2附近,即V 形节流阀口节流性能的好坏主要取决于过流截面A 2上的空化特性㊂从图5的V 形节流阀口体积流量实验曲线中可以发现,当液流的流向相反时,其流量与U 形节流槽相似,会出现流量翻转时在同一阀口开度下流量不相等的现象㊂图6所示为V 形节流阀口体积流量实验曲线,当节流体积流量q V 流向相反的时候,其对应的体积流量q V A 1o 和q V A 1i 存在差异,并不是完全相等,且在整个阀口开度的范围流出过流截面A 1的体积流量q V A 1o 始终要比流入过流截面A 1时的体积流量q V A 1i 大一些,这一现象可以从V 形节流阀口过流截面空化特性曲线图5中得到解释:V 形图6 流入流出A 1时V 形节流阀口流量实验值节流阀口过流截面A 1㊁A 2上的空化指数为一定值,与阀口开度X 无关㊂又由于V 形分压节流阀口的空化特性主要体现在过流截面A 2上,由图5可以看出,当液流流入A 1截面时在A 2上的空化指数σ2A 1i 要大于流出A 1时的空化指数σ2A 1o ,由此可知当液流流出A 1截面的时候,在空化集中区A 2处的空化气蚀剧烈程度相比液流流入A 1截面时要小一些㊂由此可以推断当液流流出A 1截面时,V 形节流阀口的实际等效过流截面面积A e 要比流入过流截面A 1时的大一些,由阀口节流流量计算式可知液流流出过流截面A 1时的体积流量要比流入过流截面A 1时的体积流量大一些㊂3 结论(1)由经典空化数的定义出发,结合二级节流阀口的几何结构特点,研究了二级节流阀口节流空化特性的表征,并推导出了二级节流阀口空化指数的计算公式㊂(2)通过对U 形和V 形节流阀口空化特性的研究,发现U 形和V 形节流阀口的空化剧烈区始终集中在过流截面A 2附近,在过流截面A 2上的空化剧烈程度会对阀口节流特性(下转第2221页)㊃9612㊃二级节流阀口空化特性表征研究李四海袁士豪Copyright ©博看网. All Rights Reserved.e n t if i c,P r o c e e d i ng sE u r o p e a n W i n dE n e r g y C o n f e r-e n c e&E x h i b i t i o n.B r u s s e l s,2011:20‐23.[4] 郑琦,李运华,杨丽曼.控并联变量马达速度系统复合控制策略[J],北京航空航天大学学报,2012,38(5):692‐696.Z h e n g Q i,L iY u n h u a,Y a n g L i m a n.C o m p o u n dC o n-t r o l S t r a t e g y f o r t h eP u m p‐c o n t r o l l e d‐p a r a l l e l‐v a r i a-b l e‐d i s p l ac e m e n t‐m o t o r S p e e dS y s t e m[J].J o u r n a l o fB e i j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s,2012,38(5):692‐696.[5] L iY u n h u a,H eL i u y u,Y a n g L i m a n.C o o r d i n a t e d a n dO p t i m a lA c c e l e r a t i o n a n dD e c e l e r a t i o nD r i v i n g C o n-t r o lf o r M u l t i‐a x l e H y d r o s t a t i c D r i v i n g V e h i c l e[C]//12t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nC o n t r o l,A u-t o m a t i o n,R o b o t i c sa n d V i s i o n.G u a n g z h o u,2012: 524‐529.[6] W uB a o l i n,Q i uL i h u a,W a n g Z h a n l i n.F o u rW h e e l sD r i v e nI n d e p e n d e n t l y b y O n eP u m p D r l v i n g F o u rH y d r a u l l c M o t o r s[J].C h i n e s eJ o u r n a l o f M e c h a n i-c a l E n g i n e e r i n g,2005,18(2):232‐236.[7] 吴保林,裘丽华,唐志勇,等.工程机械液压底盘模拟实验台双马达同步技术研究[J].中国机械工程, 2006,17(9):899‐902.W uB a o l i n,Q i uL i h u a,T a n g Z h i y o n g,e t a l.R e s e a r c ho nS p e e dS y n c h r o n i z a t i o nC o n t r o l o fD o u b l eM o t o r s o fH y d r a u l i cC h a s s i sS i m u l a t i o n E x p e r i m e n t a lD e-v i c eo fE n g i n e e r i n g V e h i c l e s[J].C h i n a M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,2006,17(9):899‐902.[8] S c h a c h l e sC,S c h a c h l e sP,S c h a c h l e sE,e ta l.W i n dP o w e rG e n e r a t i n g S y s t e m:U S,4503673[P].1979‐05‐25.[9] D a v i d M,T r a c y C.H y d r a u l i c C o n t r o lD e v i c ef o rW i n dT u r b i n e:U S,4715782[P].1998‐10‐29. 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低温节流过程实验装置研制及初步实验验证

doi: 10.3969/j.issn.2095-4468.2021.02.201低温节流过程实验装置研制及初步实验验证吴栋梁1，孙培杰2，张宏彬1，李鹏2，秦旭进1，黄永华*1（1-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240；2-上海宇航系统工程研究所，上海 201108） [摘要] 为了深入理解航天低温推进剂在热力排气系统中的节流特性，本文推导了过冷低温液体节流后气相质量分数与入口液体过冷度之间的热力学关系，设计并搭建了一套用于研究低温流体节流前后气液两相流状态特性的实验装置。

以液氮为研究对象，测量了过冷液氮节流前后压力、温度等状态参数以及质量流量。

研究结果表明，气相质量分数和节流后空化区最大温降之间，空化数和压比之间均存在近似线性关系；在节流前压力一定的情况下，节流后的气相质量分数随着过冷度的增大逐渐减小，也近似呈线性关系，实验所得斜率与理论值误差1.3%，验证了热力学关系的正确性，实验装置功能满足设计目的和测试要求。

[关键词] 低温流体；节流过程；过冷度；实验装置中图分类号：TB61+1; TK124文献标识码：ADevelopment and Preliminary Experimental Verification of Apparatus for CryogenicThrottling ProcessWU Dongliang 1, SUN Peijie 2, ZHANG Hongbin 1, LI Peng 2, QIN Xujin 1, HUANG Yonghua *1(1-Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2-Shanghai Aerospace System Engineering Institute, Shanghai 201108, China)[Abstract] To better understand the throttling behavior of cryogenic propellants in the thermodynamic vent system of the tank, thermodynamic relations between the mass fraction of gas phase after throttling and the subcooling degree of the inlet liquid is deduced; and an apparatus is designed and built to study the state characteristics of the gas-liquid two-phase flow before and after throttling of cryogenic fluids. Taking liquid nitrogen as the flowing substance, state properties such as pressure, temperature, and mass flow before and after throttling are measured. The results show that there is an approximately linear relationship between the mass fraction of gas phase and the maximum temperature drop in the cavitation region after throttling. The cavitation number is also approximately linearly proportional to the pressure ratio. Under the condition with the constant pressure before throttling, the mass fraction of the gas phase after throttling decreases linearly with the increase of the subcooling degree. The deviation between experimental data and the theoretical prediction of the slope is within 1.3%, which verifies the thermodynamic relation. The function of the experimental apparatus meets the design purpose and test requirements.[Keywords] Cryogenic fluid; Throttling process; Subcooling degree; Experimental apparatus*黄永华（1978—），男，研究员，博士。

小口径低温文丘里流量计流动性能的数值分析

指标,简称压损比,它定义为节流件的压力损失与测
文丘里流量计测量的原理与其它差压式流量计
。中国科学院等离子体物理研究
相同,即伯努利方程和流动连续性方程。在流体流经
流量计进行了常温下的测试与数值模拟,分析了文丘
流速增大,静压降低。如图 1 所示,通过测量入口处
1 引言
有助于后续实验误差的分析和文丘里流量计精度的
低温流体流量的准确测量对于低温系统的稳定
校准,在此基础上分析了喉径比、收缩角度对流出系
运行具有非常重要的意义。常见的低温流量计有:节
数和压损比的影响,为优化小口径文丘里流量计结构
图 2 文丘里流量计计算区域
计算时间,需要对生成的网格进行无关性验证,确定
作者简介:刘耕田,男,25 岁,硕士研究生。
通讯作者:李俊杰,男,38 岁,硕士生导师、副研究员。
42
2021 年
低温工程
Therefore,changing the throat diameter ratio and contraction angle reasonably could improve the
的增大,流出系数 C 增大,压损比 ζ 减小。合理地改变喉径比和收缩角度有利于提高小口径低温文丘
里流量计的性能。
关键词:4. 5K 文丘里流量计流出系数压损比
中ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ分类号:TB663 文献标识码:A 文章编号:1000-6516(2021)02-0041-06
Numerical analysis of flow performance on small-diameter

低温液氮泵空化模型修正及内部流动数值研究

低温液氮泵空化模型修正及内部流动数值研究许洋;邵春雷【摘要】为了研究低温泵内的空化流动,考虑热力学效应,对现有Zwart空化模型进行了修正,并通过NACA0015水翼的空化实验验证了修正后模型的可行性.同时采用数值模拟的方法分析低温泵在输送液氮介质时所产生的空化流动现象,获得了低温泵的空化性能、叶片表面中间流线上的载荷分布情况和流道内的温度分布规律.研究结果对准确预测低温泵的空化性能,提高低温泵的抗空化能力具有意义.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2019(000)001【总页数】6页(P25-30)【关键词】低温液氮泵;热力学效应;空化模型;数值模拟【作者】许洋;邵春雷【作者单位】南京工业大学机械与动力工程学院南京211800;南京工业大学机械与动力工程学院南京211800;常州大学机械工程学院江苏省绿色过程装备重点实验室常州213164【正文语种】中文【中图分类】TB6551 引言液态空气储能技术相较其它储能技术的应用前景巨大，该技术的实现离不开低温泵对低温介质的输送。

然而低温泵比普通泵更易发生空化，造成低温泵的性能下降，所以研究低温泵内的空化流动对提高能源的利用效率具有重要意义。

低温泵内输送的介质(如：液氧、液氮等)，其物理属性对温度变化比较敏感，会随温度的改变而改变，而现有的空化模型是基于等温的条件下推倒的，显然并不适合用来分析低温泵内的空化流动。

因此，就要修正现有的空化模型，这使得低温泵内部的流动分析变得更加复杂[1-3]。

国内外学者对于热力学效应下的空化流动开展了大量的理论研究和数值模拟研究。

邵雪[4]等人采用速度压力耦合SIMPLEC算法和标准k-ε湍流模型，对部分流低温液氮泵进行了数值模拟研究并对泵的外特性进行了预测。

SHI[5]研究了火箭发动机涡轮泵空化时热量对液氢物理属性影响严重的问题，发现在热效应的作用下，蒸汽含量变低，空腔变得更多孔，长度变短。

SUN[6]等人分析了液氮的空化流动特性，考虑能量方程中蒸发潜热的影响，研究了低温环境下水翼周围的空化流动特性。

空化特性研究进展_管金发

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水利技术
空化特性研究进展
管金发邓松圣张攀锋华卫星
（后勤工程学院军事供油工程系，重庆 401331）
摘要空化是液体特有的一种复杂流体动力学现象。从空泡运动方程、理论分析、空化实验、多空泡研究等方面简要介绍
了空化特性的国内外研究现状。空泡群的研究将使空化研究更接近于工程实际，空泡群空化规律的深入研究是下一步努力
第 11 卷第 27 期 2011 年 9 月 1671 — 1815 （ 2011 ） 27 -6674 -07
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
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综述
Vol. 11 No. 27 Sep． 2011 2011 Sci. Tech. Engrg.
··
R
+
3
·
R2
+
2
·
[ ( ) ( ) 1
ρ0
P∞ － Pv －
kP∞
－ Pv
+ 2σ R0
R0 R
3γ
+ 4μ
R R
+
]2σ = 0。当考虑液体可压缩性时［17］，Gilmore 引入
R
柯克伍德-贝蒂假设［18］，即压强扰动传播的速度等
于音速和液体局部速度之和，得出空泡运动方程：
气量、表面张力和压缩性等因素对空泡运动的影
响，用其进行计算分析得到的某些结果与实际情况
不相符合，比如空泡收缩到最小半径时，泡表面的

节流孔板的原理及限流计算

该方式比采用调节阀要简单，但必须选择得当，否则，液体容易产生汽蚀现象，影响管道的安全运行。

1汽蚀现象节流孔板的作用，就是在管道的适当地方将孔径变小，当液体经过缩口，流束会变细或收缩。

流束的最小横断面出现在实际缩口的下游，称为缩流断面。

在缩流断面处，流速是最大的，流速的增加伴随着缩流断面处压力的大大降低。

当流束扩展进入更大的区域，速度下降，压力增加，但下游压力不会完全恢复到上游的压力，这是由于较大内部紊流和能量消耗的结果。

如果孔板下游的压力p2仍低于液体的饱和蒸汽压力，汽泡将在下游的管道继续产生，液汽两相混合存在，这种现象就是闪蒸。

流道材料表面在水击压力作用下，形成疲劳而遭到严重破坏。

我们把汽泡的形成、发展和破裂以致材料受到破坏的全部过程称为汽蚀现象。

闪蒸和空化的主要区别在于汽泡是否破裂。

存在闪蒸现象的系统管道，由于介质为汽水两相流，介质比容和流速成倍增加，冲刷表面磨损相当厉害，其表现为冲刷面有平滑抛光的外形。

闪蒸也产生噪音和振动，但其声级值一般为80 dB以下，不超出规范规定的许可范围。