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)/㎜2α/ mm-1 β(面积比)δ(板厚)/mm133 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 4 632 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×0.4m×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26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221.0.5V 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种不同的工魏 群等：水力空化装置试验研究第15卷27况，孔板下游的压力变化规律基本是一致的．在接近孔板出口的第1点压力是最低的，然后压力逐步升高恢复，到了第5点，压力基本上恢复到最大．在第5点以后，压力虽有波动，但总体趋势是下降的．所以，在本试验中，最大恢复压的位置在第5点，孔板出口最大恢复压的恢复长度L =20 cm ．表2 孔板真空值试验数据H 0/m 2.54 6.80 9.08 9.87 10.32 12.44 17.71 22.72 26.97H 孔/m 0.43 0.24 0.64 1.68 3.25 7.03 7.29 7.29 7.24 Q /(L ·s -1)1.532.33 2.61 2.70 2.77 2.923.24 3.57 3.82在本试验中，对于同一块孔板，如果在阀2和阀3全开而只调节阀1即调节孔板进口压力的情况下，恢复压力的变化幅度不是很大，例如：从工况1到工况4，最大恢复压力由-0.29 m 变化到0.22 m ，其变化幅度只有0.49 m ．但是，如果在阀1和阀2全开而只调节阀3即调节孔板出口压力的情况下，恢复压力的变化幅度就比较大，例如：从工况4到工况8，最大恢复压力由0.22 m 变化到5.13 m ，其变化幅度为5.35 m ．2.4 循环系统水温的变化由于水力空化系统是一套封闭的水力循环系统，由于水泵叶轮对水流做功和水流的粘性耗散作用等原因，随着运行时间的延长，水的温度必然会升高．为了研究水温对水力空化的影响，分别做了2种不同工况下的水温变化对比试验，一种是安装了孔板的循环系统(工况 1)；另一种是没有安装孔板的循环系统(工况 2)．图 9绘制了 2种不同工况下的水温变化．从图 9可以看图 9 水温变化曲线出，在2种工况下水的温度都是随时间上升的，其变化趋势大致相同．工况1水的温度在100 min 内从14 ℃上升到28 ℃，温度的上升速率为0.14 /min ℃；工况2水的温度在100 min 内从14 ℃上升到25.6 ℃，温度的上升速率为0.116 /min℃．也就是说，由于安装了多洞孔板，导致了工况1的温度上升速率要比工况2的大．分析表明：① 在其它条件相同的情况下，由于孔板的存在，增加了孔板所产生的粘性耗散效应，并以热能的形式转化为水的内能；②当水流通过孔板时，水流产生了空化，而空化泡在发展的最后阶段是在恢复压作用下的溃灭，这样产生了微量的热能；③由于水泵叶轮的机械作用，使水泵的机械能转化为热能．在以上3种原因中，水泵的机械能转化热能是主要原因．由于工况2没有安装孔板，其水的温度升高可以认为全部为水泵机械作用的结果．通过计算比较，在工况1中的水泵机械作用占到了总转化热能的83%左右．3 结论⑴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．⑵在封闭的水力空化系统中，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．⑶验证了管嘴出流的原理，在管嘴收缩断面的最大真空值H v 为0.75H 0，在一块板厚δ=8 mm 孔径d h =2.5 mm 孔数n =33的试验中，测得产生最大真空值的进口压力为12.44 m 水柱，基本符合这一规律．⑷在确定孔板下游的最大恢复压力位置试验中，测得孔板下游恢复压长度L =4d p (d p 为管直径)．参考文献：[1]闻德荪. 工程流体力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004. [2]李建中. 高速水力学[M].西安: 西北工业大学出版社, 1994.Experimental Study on Equipment of Hydrodynamic CavitationWEI Qun 1,2，XIAO Bo 2，GAO Meng-li 3，CHEN Wen 1（1. Urban Construction Department, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China; 2. School of Environmental Science andEngineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 3. School of Environmental and Municipal Engineering,Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China ）Abstract: It is key that equipment of hydrodynamic cavitation to make use of the hydrodynamic cavitation technique. Through trial research to equipment of hydrodynamic cavitation by making use of a few different multiple hole orifice plates, the result enunciated: in hydrodynamic cavitation system, enlarge the inlet pressure of multiple hole orifice plates, it can increase the discharge of multiple hole orifice plates, thus raise the average flow velocity in the hole, lower to cavitational number; Because of the function of the orifice plates , the water temperature in the system rising rate needs to compare and did not install the orifice plates system big; Analytical at the same time a orifice plates downstream recovered pressure the length to 4 the tube diameter.Key words: Hydrodynamic cavitation; multiple hole orifice plates; inlet pressure; recovery pressure; vacuum value （责任编校：陈健琼）。