水力空化装置试验研究

第15卷 第4期 湖 南 城 市 学 院 学 报 （自然科学版） V ol. 15 No.4 2006年12月 Journal of Hunan City University （Natural Science ） Dec. 2006

水力空化装置试验研究

魏 群1,2，肖 波2，高孟理3，陈 文1

（1．湖南城市学院 城市建设系，湖南 益阳 413000；2．华中科技大学 环境科学与工程学院，武汉 430074；3．兰

州交通大学 环境与市政工程学院，兰州 730070）

摘 要：水力空化装置是利用水力空化技术的关键．通过利用几种不同的多洞孔板对水力空化装置的试验研究，结果表明：在水力空化系统中，增大孔板的进口压力，可以增加孔板流量，从而提高孔内的平均流速，降低空化数；由于孔板的作用，系统中的水温上升率要比没有安装孔板的系统大；并分析得出孔板下游恢复压长度为4倍管直径．

关键词：水力空化；多洞孔板；进口压力；恢复压力；真空度

中图分类号：TU991.27 文献标识码：A 文章编号：1672–7304(2006)04–0025–04

水力空化装置是利用水力空化技术的关键和核心．液体流过1个收缩装置(如几何孔板)时产生压降，溶解在液体中的气体会释放出来，当压力降至液体的饱和蒸汽压甚至以下时，由于液体的剧烈汽化而产生大量空化泡，空化泡将随液体流动形成了两相流；当流动的压力增大时，空化泡的体积将急剧缩小直至溃灭．但是，空化过程是一个很复杂的物理过程．空化的发生、发展和溃灭与水力空化装置（多洞孔板）的压力因素（孔板进口压力、孔板内的真空值、孔板下游恢复压力）密切相关，而这些压力因素 又存在着相互耦合关系．本文利用几种不同的多洞孔板对水力空化装置进行了试验研究．

1 试验装置设计

1.1 孔板设计

根据管嘴出流的原理和管道内紊流状态的断面流速

[1]

分布如图1所示，孔板采用等面积错开布孔．本试验共

图1 管道内紊流状态的断面流速分布

设计了6块孔板，孔板的几何参数见表1．其中24孔洞的孔板如图2所示．

1.2 水力空化系统

1.2.1 水力空化试验流程

本系统是1套封闭水力循环的系统，如图3所示．水 箱贮水槽的水通过水泵抽吸并输送到压力管，然后分流，一部分水通过旁通管直接回流水箱，调节回流量以控制试验流量；另一部分水通过主管线进入水力空化装置，并在余压作用下送至堰箱，然后通过整流板和薄壁三角堰测量流量后，返回水箱贮水槽．

表1 孔板几何参数

板

号N (孔数)/个

d h (孔

径)/㎜

A (面

积)/㎜2

α/ mm

-1 β(面

积比)

δ(板厚)/mm

133 2.0 103.62 2.00 0.05 8 232 2.5 157.00 1.60 0.08 8 324 2.5 117.75 1.60 0.06 8 431 3.0 219.02 1.33 0.11 8 533 2.0 103.62 2.00 0.05 4 6

32 2.5 157.00 1.60 0.08 10

收稿日期：2005-11-22

基金项目：湖南省教育厅科研资助项目（04C171）

作者简介：魏 群(1971-)，男，湖南隆回人，工程师，博士生，主要从事水力空化技术应用研究．

图2 孔板 试验装置主要由泵、水箱、水力空化装置及管道系

统组成．

⑴加压设备采用离心式清水泵机组．水泵型号

IS65-50-160，扬程32 m ，流量25 m 3/h ，配套功率5.5 kW ，转速2 900 r/min ，

效率65%，山西运城泵业制造公司制造． ⑵循环水箱．贮水槽的主要尺寸l ×b ×h =1.07 m×0.4

m×0.49 m ．带有整流板和薄壁三角计量堰．

⑶水力空化装置采用多洞孔板（见图2）． ⑷主管线采用镀锌钢管DN50，旁通管采用橡胶软

湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版） 2006年第4期

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管DN32，同时为便于观察空化情况，试验管段采用DN50

式U 型水银测压计；温度计，量测范围为0～50 ℃．

1.3 试验内容

在本次试验中，有以下4个试验内容：

⑴研究多洞孔板的进口压力与流量和进口压力与空化数的关系；⑵研究多洞孔板内真空值的变化；⑶研究多洞孔板下游试验段的压力变化和最大恢复压的位置；⑷研究循环系统水温的变化．

2 试验结果与分析

2.1 进口压力与流量及空化数的关系

主管线内流动状态用空化数来描述其特征，空化数考虑了孔板下游的边界条件．空化数是一无量纲数，通常用公式[2]（1）表示，即

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1.

0.5V p p V σρ−= (1)

式中，P 2为孔板下游恢复压强，MPa ；P V 为相应温度下

水流的汽化压强，MPa ；V 1为孔的平均流速，m/s ；ρ—水的密度，kg/m 3．

在研究孔板的进口压力与流量和与空化数的关系时，试验设计了6块孔板，每块孔板的几何参数见表1．试验时阀1和阀3保持全开状态，通过控制阀2的开启度来调

节孔板的进口压力，并且每块孔板做了5种工况试验．

根据试验结果，绘制了多洞孔板的进口压力与流量关系，如图5所示．图5表明，通过同一多洞孔板的流量是随孔板

图5 孔板流量与进口压力的关系

进口压力的增加而增大的．对于不同的孔板，在同一进口 压力的条件下，通过孔板的流量是随孔板面积比的增加而增大的．

同样，根据试验结果，描绘了6块孔板的进口压力H 0和孔板空化数C v 的关系，如图6所示．从图6可以看出：孔板空化数C v 随孔板进口压力H 0的增大而减少的．因为从图5和公式（1）可以知道，增大孔板进口压力增加了通过孔板的流量，提高了孔内平均流速，而空化数与流

图6 孔板进口压力与空化数的关系

速的平方成反比．

2.2 孔板内的真空值

根据空化产生的条件，当流场中某处压强接近甚至低于相应水温的饱和蒸汽压强时，将产生空化或剧烈空化的现象，这也是空化装置的工作原理．水流通过孔洞时，孔内水流会有一最小收缩截面，并在该最小收缩截面上产生了最低压强，如果此压强接近或低于饱和蒸汽压强，就会发生空化．对某一块孔板即孔数为48个、孔径为2.5 mm 、板厚为10 mm 进行了试验，试验数据见表2，其中H 0为孔板进口压力，H 为孔板内真空度，Q 为孔板流量．根据表2试验结果，

描绘了孔板孔中部真空值与进口压力变化关系，如图7所示．分析图7可知，当孔板进口压力较

图7 孔板进口压力与真空值变化关系

低时，孔内的真空值也较低，孔内没有发生空化．当孔板进口压力逐渐增大，但真空值的变化很小，试验段水流中没有空泡出现．只有当进口压力达到一定值时，孔内的真空值发生急剧上升，此时，孔板出口的边缘处会出现空泡，在该处空泡会发生脱离并有新的空泡产生．随着流速的增加，孔内的真空值上升到一定值后，真空值再不随孔板进口压力变化而趋于平缓，空泡在射流的卷吸作用下将泡流区的空泡带入白雾区．白雾区实际上是一个分散有许多小空泡的湍流区，射流不断地将空泡带入这个区，并在这里分散后发生溃灭．

2.3 最大恢复压位置的确定

在研究最大恢复压力位置时，采用了同一孔板，在8种不同的工况下进行试验．图8描绘了孔板在8种不同的

图8

试验段压力变化曲线

工况下试验段压力变化．从图8可知，对于8种不同的工