（油气储运工程专业论文）水力空化规律研究及其在油田污水处理上的应用.pdf

i n v e s t i g a f i o no l lh y d r o d y n a m i c c a v i t a t i o na n di t s a p p f i c a f i o no l lf i e l dw a s t e w a t e rd i s p o s a l z h a n gn i n g - n i n g ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i y u o x i n g a b s t r a c t c a v i t a t i o ni sa p r o c e s s o fv a p o rb u b b l e sg e n e r a t i o n , g r o w t ha n d b r e a k d o w nb e c a u s eo ft h ea b r u p tc h a n g eo fp r e s s u r ei n s i d et h el i q u i d a tt h e m o m e mo fb u b b l eb r e a k d o w n , i n s t a n t a n e o u sh i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e w i l lb ep r o d u c e di nt h es u b m i n i a t u r ea r e aa r o u n dt h eb u b b l e , a n dt h ev i o l e n c e s h o c kw a v ea n dh i g hs p e e dj e tf l o ww i l la l s ob ei n d u c e d a tt h i se x t r e m e c o n d i t i o n , i t se a s yf o ro r g a n i c si n s i d et h eb u b b l et ob ed e g r a d a t a d c o m p a r e d t oo t h e rc a v i t a t i o nm e t h o d s ，t h eh y d r o d y n a m i cc a v i t o nh a sm a n ya d v a n t a g e s ， s u c ha ss i m p l er e a c t i o no p e r a t o r , l e s s e n e r g yc o n s u m p t i o n , c o n v e n i e n t o p e r a t i o n , l o w e rm a i n t e n a n c ec o s ta n dr e a d i l ys c a l eu p , s 0i ti sm e a n i n g f u lt o i n i v e s t i g a l et h er e g u l a rp a t t e r no fh y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o n , a n da p p l yi t o n f i e l dw a s t e w a t e rd i s p o s a l i nt h i sp a p e r , t h ec f ds o f t w a r ef l u e n ti su s e dt os i m u l a t et h ef l o w f i e l d so fc a v i t a t i o ni nv e n t u r i ，s i n g l eh o l eo r i f i c ea n dm u l t i h o l eo r i f i c e t h e i n f l u e n c e so ft h eo p e r a t i o np a r a m e t e r sa n d 或r u c 畹so nc a v i t a t i o ne f f e c ta l e i n v e s t i g a t e d , a n ds o m ee o n c l u s i o n sa r ee d u c e d t h eh u m e r i c a ls i m u l a t i o i l s i n d i c a t et h a tc a v i t a t i o nf i r s t l yh a p p e n sa tt h ep o i n tw i t ht h el o w e s tp r e s s u r e t h ec a v i t a t i o na r e aa n dt h el o wp r e s s u r es p a c ea l eo n et oo n ec o r r e s p o n d e n c e t h eg r e a t e rt h ec a v i t a t i o ni n t e n s i t yi s ，t h ef u r t h e ra w a yf r o mt h ez o n ew i t ht h e l o w e s tp i p ed i a m e t e rt h ec a v t i t a t i o na r e ai s t h ec a v i t a t i o ni n t e n s i t yi n c r e a s e s w i t hi n c r e a s i n gt h ei n l e tp r e s s u r ea n dd e c r e a s i n gt h eo u t l e tp r e s s u r e f o r v e n t u r ea n ds i n g l eh o l eo r i f i c e ，t h ec a v i t a t i o ne f f e c tw i l lb ee n h a n c e db y i n c r e a s i n gt h er a t i oo fh o l ed i a m e r t e rt op i p ed i a m e t e r , i n c r e a s i n gt h er a t i oo f t h el e n g t ht ot h ed i a m e t e ro fs h r i n k i n ga r e a , a n ds c a l i n gu pt h es i z eo f c a v i t a t i o ns e t u p f o rm u l t i h o l eo r i f i c e ，t h ec a v t i t i o ne f f e c tv e i l ib ei n t e n s i f i e d b yi n c r e a s i n gt h ed i a m e t e ro fs m a l lh o l ea n di n c r e a s i n gt h ef l o wa r e f l w h e n t h er a t i oo ft h et h i c k n e s st ot h ed i a m e t e ro fm u l t i o r i f i c ei sc l o s et o3 5 ，t h e c a v i t a t i o ne f f e c ti sb e t t e r a sc o m p a r e dw i t ho t h e rt w od i f f e r e n tk i n d so f h y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o ne q u i p m e n t , m u l t i o r i f i c ei sm o r es u i t b a l ef o rv i o l e n t c h e m i c a lr e a c t i o nw h i c hi sn e e d e df o rf i e l dw a s t ew a t e rd i s p o s a l e x p e r i m e n t a ls e t u p f o rf i e l dw a s t ew a t e r d i s p o s a lb yu s i n g h y d r o d i a n a m i cc a v i t a t i o ne f f e c ti sb u i l du p w a s t e rw a t e rt r e a m a e n t m e n t e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n ef o r6d i f f e r e n tk i n d so fm u l t i o r i f i c e t h e yv e r i f y t h eu s e a b i l i t yo fu s i n gh y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o ne f f e c tt od i s p o s et h ef i e l d w a s t ew a t e r 1 1 1 ei n f l u e n c e so ft h eo p e r a t i o np a r a m e t e r sa n ds t l u g c t l r e so n c a v i t a t i o ne f f e c ta l et e s t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o n f i r mt h ec o n c l u s i o n s a b t a i n e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n k e y w o r d s ：h y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o n ，w a s t ew a t e rd i s p o s a ln u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，0 r i f i c e , v e n t u r i 中国石油大学( 华东) 硕士论文符号表 主要符号表 p ，饱和蒸汽的压强，p a ； 融气核内气体的分压，p a ； p 酽一泡内压强，p a ； 儿无穷远处液体的压强，p a ： p 一液体内的压强，p a ； p i n 一入口压力，m p a ； p o u t 一出口压力，m p a ； c 压强系数： g 水流的空化数； c 广_ 初生空化数； g r 一消失空化数； d 一管路直径，l h i i l ； d 小孔直径，m i l l ； 6 孑i 舨厚度，n l l n ； 舯_ 孑l 数； n 一总孔周长与总过流面积的比值，h i _ i n 1 ； b 旷孑1 面积与管道横截面积的比值； r _ 气泡半径，m ； r 旷一气核初始半径，m ； 胄r 气核最终平衡半径，m ； 圪流体的平均流速，m s ； q - - - - 管路液体流量，m ? m ； 仃液体表面张力系数，n ，m ； 中国石油大学( 华东) 硕士论文符号表 pr 流体的密度，k g m 3 ； 粘性系数，p a s ： 以混合密度，k g m 3 ； a 。第k 相的体积分数； c o d 化学需氧量，m g l 。 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 辱中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：勉宴宝硒7 年年月，x 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印，缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名； 导师签名： ) 0 6 1 年 如潍 年月 月 工2 日 坫日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 1 课题研究的意义 第1 章前言 “空化效应”是指在液流中由于压力的突然变化而产生气泡的暴发和溃 陷。“空化”是一种非常复杂的流体动力现象，是液体所特有的。当流场中 某处的局部压力低于该处饱和蒸汽压力时，不仅溶在水中的空气会逸出，而 且水也开始汽化，在水中形成许多由空气和蒸汽组成的空泡，这些空泡被水 流挟带着到达高压区时溃灭( c o l l a p s e ) 。空泡初生、长大和溃灭的整个过程 就称为空化( c a v i t a t i o n ) 。研究表呀u 】：空泡溃灭时将在空泡周围的极小空间 内出现热点( h o ts p 0 0 ，产生瞬时的高温( 约5 2 0 0k ) 和高压( 5 0 m p a 以上) ， 并能形成强烈的冲击波和速度高达1 0 0 m s 以上的微射流( m i c r o j e 0 。因此， 空泡溃灭时将伴随极其复杂的多种物理、化学效应。在机械行业，空化现象 对于高速运转的水力机械破坏性极大，主要危害是损坏阀门、振动和噪声， 一般均极力避免这种空化现象。但另一方面人们又认识到这种“破坏现象” 背后具有极大的能量利用潜力，随着人们对空化机理的研究，空化效应开始 广泛应用于各个领域，如掺气水射流、空化清洗技术、污水处理以及对化工 过程和传热过程的强化作用。 根据空化产生的形式一般可以分为声空化、水力空化、光空化和粒子空 化4 种类型，其中，声空化和水力空化成为水处理研究学者关注的焦点。8 0 年代末发展的超声空化降解水中毒性有机污染物，是一种高效、低成本的水 处理方法，但由于声空化的最大弊端是难以实现工业化，人们开始研究另一 种产生空化的方法，即水力空化。与声空化相比，水力空化具有反应装置简 单、能耗相对小、操作方便、维护费用低、易实现规模化等优点。因此，研 究水力空化规律，将水力空化成功应用于油田污水处理，不仅对提高石油工 业的经济效益具有重要的实用价值，而且具有重要的学术意义。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 国内外研究现状 空化现象最早发现于1 8 9 1 年，当时英国一艘驱逐舰在做高速试航时，发 现其螺旋桨推进器叶片被剥蚀。以后又在水力机械( 水泵、水轮机) 的叶片 上发现了类似情况。所以，空化问题的研究首先从造船行业开始，然后又扩 展到水力机械行业、水工建筑行业。但是，这些行业的学者研究的目的是避 免出现空化现象，防止空蚀的破坏作用。当然，他们的研究对水力空化处理 污水技术的研究提供了理论指导。 “空化效应”作为一种新技术，在油田污水处理上具有广泛应用前景。 1 2 1 在废水处理领域的研究进展 水力空化作为降解污水的一项新技术，它具有装置简单，运行及维护费 用低，能量利用率高，无二次污染。大规模化投入运行相对容易等优点，近 几年来成为国内外科研工作者的热门研究课题。 在国外，1 9 9 3 年，p a n d i t 等人等研究了水和蓖麻油与红花油的水力空化水 解过程，反应物是不同浓度的水油混合物，水解程度靠p h 来检测。实验结果 表明，对于同样的水解程度，水力空化的能量消耗比传统方法要低很多1 3 1 。 1 9 9 3 年b o t h a ，1 9 9 4 年，b o t h a 和b u e k l e y 对水力空化装置和u v 辐射的联用进行 了研究，这些氧化技术的联合使用能够产生更高的空化效应，增加水处理的 效果 4 , s 1 1 9 9 4 年。美国加利福尼亚州夸脱水处理公司发展了一种空化一氧化 ( c a v o x ) 混合系统，这套系统由水力空化、u v 辐射、过氧化氢等氧化技 术组成。它能够处理人们所关心的少数几种有害化学物质：五氯苯酚、苯、 甲苯、已基苯、二甲基混合物、氰化物、苯酚，并且能将它们降低到有效浓 度 6 1 。1 9 9 8 年，k a l u m u c k 和c h a h i n e 利用空化喷射装置在不同的操作条件进行 降解p 一硝酸苯酚的实验。研究表明：水力空化确实对p 一硝酸苯酚有降解作 用，并且该装置比用超声波方法( 超声角) 在能效方面i ! - - 次方比例增加【7 】。 2 0 0 0 年，s i v a k u m a r 和p a n d i t 利用水力空化装置对若丹明b 化合物的降解进行 了实验研究，并且在能效方面与超声波空化进行了比较，实验表明水力空化 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 装置的降解能量效率要比超声波空化大约高1 5 0 此外，水力空化装置在 简单的操作条件下能降解5 0l 的废水，而超声角只能处理少数几十毫升，由 超声角和超声盆组成的双频流室也只能处理11 5 l 废水【b 】。2 0 0 0 年，j y o t i 和 p a n d i t 研究了利用空化方法，对自流井水进行杀菌消毒，使其达到饮用水标 准的效果。实验证明相对于其它传统的非化学处理方法( 臭氧消毒技术) ， 水力空化技术是一项经济且而高效的技术 9 1 。2 0 0 0 年j y o t i 和p a n d i t ，2 0 0 1 年 s i v a k u m a r 和p a n d i t ，他们成功地使用一套孔板水力空化装置用于废水处理： k i 溶液、水消毒、若丹明b 化合物和印染废水去色的实验，表明空化强度 和空化数可以用不同的孔板进行有效的控制，水力空化装置处理含有这些物 质的废水是有效的【9 1 0 1 。 在国内，水力空化装置在废水处理领域的科学实验研究起步较晚。2 0 0 4 年，张风华等分析了空化水射流中的微空泡溃灭时产生的瞬时局部高温、高 压等特殊的物理环境及其引发的复杂化学效应：直接热分解、自由基的氧化 和超l 临界水氧化；划分了空泡溃灭时化学反应区域；分析了空化水射流化学 效应的影响因素l l ”。2 0 0 4 年，廖振方等提出利用空化射流配合c o a n d a 效应用于杀灭藻类及浮游生物、治理湖泊与江河水体的富营养化，处理效果 显著【1 2 】。2 0 0 4 年，魏群等利用两种孔板水力空化装置对若丹明b 降解，探 讨分析了空化数和进口压力对降解的影响，提出了水力空化降解与时间的规 律和不同的孔板存在最佳的操作运行参数的观点【1 3 1 。2 0 0 4 年，王夙等采用 不同厚度、孔数和孔径的孔板作为水力空化发生装置，研究了水力空化对若 丹b 的降解效果，得出了孔板几何尺寸与空化处理效果的关系【1 4 1 。2 0 0 5 年， 魏群等对多洞孔板对含有若丹明b 染色体的模拟印染废水进行了降解试验 研究【嘲。 从以上研究表明水力空化技术是一种很有应用潜力的水处理新技术。跟 声化学反应装置相比，水力空化装置的研究还处于基础性阶段，在废水处理 领域还没有更多的应用报道。然而，从自2 效和规模大型化方面比较，水力空 化技术比超声空化技术更具有优势。目前关于水力空化降解废水技术的研 究，无论在国外还是国内，都是新的研究领域。 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 2 水力空化装置水动力特性数值模拟研究 水力空化装置有2 种，一是文丘里；二是孔板。2 0 0 1 年，v s m o h o u d 8 1 和a b p a n d i t 雨j 用数值模拟的方法研究了水力空化中气泡流的动力特性，用 一种连续气泡混合模型研究了文丘里的一维气泡流动。这种非线性气泡流的 动力特性用r a y l e i 咖p l e s s e t 公式进行了模拟【1 6 1 。模拟结果表明：在流体流动 过程中气泡与气泡和气泡与流体的相互作用对气泡流型有重要的影响作用。 一些参数譬如：下游恢复压、文丘里与管截面积的比率、截面初始含气率、 气泡的初始尺寸在流体动力特性方面的影响也已经被研究。并且，根据模拟 结果，提出了一些关于水力空化装置有效设计和大型化方面的建议。2 0 0 1 年，v s m o h o l l 【l a r 和a b p a n d i t 利用非线性连续混合模型对文丘里和孔板 装置水动力特性进行了数值模拟【1 7 】。研究表明，文丘里空化流动中气泡的 辐射运动属于稳定的振荡型，而孔板空化流动中气泡的辐射运动属于稳定的 振荡和瞬时运动型。这是由于两种不同类型的压力梯度作用的结果，即线性 平均压力梯度和振荡湍流压力梯度。因此，在孔板流动中产生的空化强度要 比文丘里的高许多。 1 3 论文研究内容 本文以数值模拟和室内试验为主要研究手段，主要做了以下几方面工 作： a 文丘里管空化流场特性的数值模拟研究 建立文丘里管数学模型，选择合适的计算模型和边界条件，模拟研究不 同操作条件和不同结构尺寸下的空化流场特性，找出影响空化效果的因素及 其影响规律。 b 单孔孔板的空化流场特性模拟研究 建立单孔孔板的数学模型，选择合适的计算模型和边界条件，模拟研究 不同操作条件和不同结构尺寸下的孔板空化流场特性，找出影响空化效果的 因素及其影响规律。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 c 多洞孔板的空化流场特性数值模拟研究 建立多洞孔板的数学模型，制定合理的网格划分方法，选择合适的计算 模型和边界条件，模拟研究不同操作条件下多洞孔板空化流场的特性，找出 操作参数对空化强度的影响规律；模拟研究8 种不同结构尺寸多洞孔板的流 场特性，找出结构尺寸对空化效果的影响规律。 d 油田污水的水力空化降解试验研究 设计加工一套室内水力空化处理油田污水的试验设备。考察不同的水力 空化器对油田污水的c o d 降解效果，并对影响污水降解效果的操作参数和结 构参数进行分析研究。 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水力空化现象及产生的机理 第2 章水力空化现象及产生的机理 2 1 空化的产生和空化效应 众所周知，在常温常压下，液体分子会逸出表面而成为气体分子，我们 把这个过程称为“汽化”，它又分为蒸发和沸腾两种方式，蒸发发生在液体 表面，而且在任何温度下都会发生，而沸腾则是在整个液体内部发生的剧烈 汽化过程，此时液体内部会有大量气泡产生，常压下沸腾仅在沸点时才发生。 如果保持水流速度不变，降低水面压强，当达到一个临界值时，水体内 部原来含有的很小的气泡( 通称气核) 将迅速膨胀，在水中形成含有水蒸气 或其它气体的明显气泡，这种现象类似于沸腾。为了与沸腾相区别，常把压 强降低使水( 或其它液体) 发生汽化的过程称为“空化”( c a v i t a t i o n ) 。空 化在水中形成的空洞称为“空穴”( c a v i t y ) ，球形空穴称为空泡，较大的空 穴称为空腔，带有空穴的水流称为空穴流。 流体流经局部区域，如果压强低于某临界值时，流体也会发生空化。在 低压区空化的液体带着大量的空泡形成了“两相流”流动，因此破坏了液体 宏观上的连续性。如果挟带着空泡的流体流经下游压力较高的区域时，空泡 将发生溃灭( c o l l a p s e ) 。因此空化现象包括空泡的发生、发育和溃灭，是一 个非稳态过程。 研究表明：空泡溃灭时，极短时间内在空泡周围的空间出现热点( h o t s p o t ) ，热点产生出1 9 0 0 5 2 0 0k 高温和超过5 0 6 5 1 07 p a 的高压，温度变 化率高达1 0 9 k s ，并伴随强烈的冲击波和速度达4 0 0 k m h 的微射流，这种极 端高温、高压、高射流是以每秒数万次连续作用产生的，有时还会有发光、 发射低频电磁波等现象，空化现象所具有的这种特性被称为“空化效应”。 当溃灭发生在固体表面附近时，流体这种高压强的反复作用，可以破坏固体 表面，这种现象称为“空蚀”，起初人们研究空化现象的目的就是为了避免 空蚀现象。后来人们发现空化现象所蕴含的这种巨大能量能冲刷固体表面、 提高流体温度、强化传热、破坏分子化学键等功能，因此空化效应开始广泛 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水力空化现象及产生的机理 应用于各个领域，如掺气水射流、空化清洗技术、污水处理以及对化工过程 和传热过程的强化作用。 水力空化现象通常可以这样实现：流体流过一个收缩装置( 如几何孔板， 文丘里管等) 时产生压降，当压力降至饱和蒸汽压甚至负压时，溶解在流体 中的气体会释放出来，同时流体汽化而产生大量空化泡，空泡在随流体进一 步流动的过程中，遇到周围的压力增大时，体积将急剧缩小直至溃灭。 2 2 气核、空化数与空化类型 关于空化产生机理，由于液体结构还不十分清楚，目前尚无明显的理论 说明。有些学者提出过某些假设，比较能为人们接受的是哈维的稳定空泡核 子机理假说。 2 2 1 气核悖论 对于不存在任何空泡的“纯”水而言，它的抗拉强度相当大，可以用图 2 - 1 所示的球形微团模式求其极限抗拉强度。 图2 - 1 球形微团静平衡 设p 为使“纯水”破坏的最大拉应力；盯为“纯水”的表面张力系数， 对于和空气接触的水面，在2 0 c 时，o - - 0 0 7 2 8 n m ；月为表面张力作用的有效 距离。则平衡方程为： 2 z r g t x = z i 9 2 p ( 2 一1 ) 则 p = 百2 0 - ( 2 2 ) 7 下i 撮- 叫 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水力空化现象及产生的机理 水的r “1 0 “埘；可算出“纯水”被拉断时所需的拉应力约为1 4 5 6 0 0 0 k n ，m 2 ( 超过1 0 0 0 0 个标准大气压力) 。 然而，不少学者曾用各种办法对“纯水”的极限抗拉强度进行实测所得 结果差别较大嘲，见表2 1 。 表2 1 水的极限抗拉强度( k n m 2 ) 试验者时间液体极限抗拉强度 b e r t h o l e t1 9 8 5水5 0 5 0 d i x o n1 9 0 9水5 0 5 0 1 5 1 5 0 m e y e r 1 9 1 1水3 4 3 4 v m e e n t1 9 4 3水1 5 8 5 7 b l a k e 1 9 5 0水2 7 7 7 5 试验还表明，水的抗拉强度与水温有密切关系，在1 0 时水的抗拉强度 最大。 由表2 1 可以看出，要使“纯水”破坏需要很大的拉应力。实际上，只有 特殊处理的“纯水”才可以承受拉力，自然界中的水却只能承受很大的压力。 因为一般情况下实际水体中经常存在很多含有气体或蒸汽的小泡( 称为“气 核”或“空化核”，简称“核子”) 以及固体微粒等异相介质，因而大大地降低 了水的抗拉强度，水体很容易被“拉断”而发生空化现象。 空化是由于液流系统中的局部低压使液体蒸发而引起的气核爆发性生 长的现象，因此低压和气核的存在是产生空化现象的两个必要条件。可是， 液体中存在气核是与通常的物理概念相矛盾的。假如一个球状泡悬浮于液体 中，则泡内外压强的平衡关系为： p ：p b 一翌 ( 2 3 ) 2 一r l z j j 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水力空化现象及产生的机理 式中：p s ，p 一泡内、外压强； r 一泡半径； 盯一表面张力系数。 由于空泡中的气体是由没有溶解的可溶解气体或水蒸气组成，显然大的 气核受浮力的作用将逐渐上升到水面而溃灭，若气核的内部含有不可溶解的 气体，那么当气核半径小到一定程度时，靠液体分子的布朗运动可以维持稳 定悬浮，由于泡内的气体溶解需要较长时间，因此对于短暂的历时，可以认 为气核内的气体是不可溶解的，当气核半径r 。很小时，由液体表面张力引 起的附加压力2 6 凰较大，于是核内气体压强将高于泡壁处的流体压强，核 内的气体慢慢通过泡壁扩散而逐渐溶解，最后气核消失，从以上分析可以得 到如下结论；大气核因浮力作用上升至水面而逸出，小气核则由于气体的不 断溶解而溃灭，称为气核悖论，但实际上，却观察到液体中气核的持久悬浮。 2 2 2 哈维的稳定空泡核子机理假说 关于气核悖论目前仍无法正确解释。现有的核子理论在很大程度上带有 臆想性，由核子发展成为空化的过程还只是推测。但是，不假设气体核子的 存在，就不能设想水体中在某种低的临界压强下会出现空化，因此就不得不 再假定核子具有一系列附加特性，以保证它们能够存在于水中，并处于稳定 动平衡状态。 许多研究者对这些附加特性提出过各种设想。目前，公认比较满意的是 由美国e n h a r v 盯于1 9 4 7 年提出的稳定的气泡核子机理假说【1 司；气体核子 是水中固体颗粒或绕流物体表面缝隙中未被溶解的一些气体，而这些固体表 面是憎水性的，使得在缝隙中的气体形成一个凹面的自由表面，如图2 2 ( a ) 所示。 设缝隙成锥形，其夹角为2 a ，凹形自由表面的接触角为e c ，对憎水性固 体表面，8 c ( 兀2 乜) ，在这种情况下，表面张力作用将阻止液体进入缝隙， 这样，液面平衡时应存在下列关系： 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水力空化现象及产生的机理 p + ：p ，一丝( 2 - - 4 ) p v p g + 2 p | 一r 式中：p g 一空穴内气体的压强；p ，一空穴内蒸汽的压强；p f 一水体内压强； 口一表面张力系数；昱一界面的曲率半径。 ( a ) ( b ) 平衡界面瞬态界面 ( c ) 最终平衡界面 r 产初始平衡界面；r 尸最终平衡界面 图2 - 2 气体蒸汽空腔在憎水性裂缝内的稳定作用 假设p ，和。都与r 无关，考虑下列两种不稳定的瞬态情况：当p s 大于饱 和值时，如图2 2 ( b ) 所示，气体将扩散至水体，水面将向气体内部推进，此 时接触角e a 0 , ，半径r 小于平衡值，同时气体中的p 。将减小。当气体扩散 达到平衡时，接触角仍趋于0 。；此时界面稳定在一个新的位置上，而j 独i r ， 显然，由于表面张力的作用，尽，不可能等于零：当p 。小于饱和值时，如图 2 2 ( c ) 所示，由水中向空穴扩散的气体将使空穴增大，此时，界面向水体内 部后退，而接触角o b o e ，半径r t 皂将大于平衡值。由于空穴内气体逐渐增加， 将使p 。增大而趋于一平衡值。当达到扩散平衡时，接触角将仍趋于以，而 r j c j 时，水流中无空化产生；当g = c f 时， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水力空化现象及产生的机理 处于空化的临界状态；当g 儿时，气泡为膨胀状态，此时取2 | l ；当岛 i 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水力空化现象及产生的机理 2 4 空泡的溃灭 如果气泡外部流场压力增大，当大于泡内压强时，空化气泡将被压缩， 其体积缩小，导致空化气泡不再稳定，这时气泡内的压强已不能支撑其自身 的大小，开始溃陷，产生空化效应。当水流产生空化后，由于液体流速很快， 微气泡的生成、增大、收缩、崩溃的时间很短，从而导致气泡附近的液体产 生强烈的激波，形成局部点的极端高温高压。可见空泡的溃灭是造成空化效 应的重要因素，因此研究空泡的溃灭有着重要的意义 空泡溃灭是一个极其复杂的物理过程。迄今为止，单靠纯解析的理论方 法还无法分析气泡溃灭的全过程，这一工作只能靠实验和数值模拟的方法。 利用高速摄影技术( 1 ，0 0 0 ，0 0 0 帧s 以上) ，实验己能描述气泡溃灭时的形状和 射流顶端的速度大小，但由于气泡尺寸较小，而气泡产生射流后的溃灭速度 极快，要详细测量目前还有困难。 图2 - 5 单气泡的溃灭 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水力空化现象及产生的机理 d 厶 微射流 对壁面 的撞击 qg 的 受到压力受庄面的 q 奄 射流 的形成 。口出c i l b 离表面远一 上留菇荐穿如 慨受到拢动空逛平扁一面 射i 颡自形成 ( 3 ) 空泡近边壁溃灭 图2 - 6 射流一溃灭模式 图2 5 所示的是一个近壁处气泡溃灭的图片f 2 6 】。图中每张图片的时间间 隔是2 雌，图片宽度为1 4 r a m 。由图片可以看出，气泡溃面时间短暂，几乎 在瞬间完成，溃灭时产生了指向壁面的微射流。图2 6 为不同位置处空泡的 射流一溃灭模式【2 7 1 。从图中可以看到，气泡所处位置不同，溃灭模式也不 一样，射流的形成方向不同。附着在壁面或者临近壁面的气泡，溃灭时都会 形成指向壁面的微射流，因此会造成壁面的空蚀。远离壁面的气泡，溃灭时 射流在流体内部产生，形成一系列的空化效应。 目前，对于空泡溃灭产生巨大能量的现象可以用空泡群理论解释，目前 关于空泡群溃灭过程有如下几个模型 2 8 1 ：( 1 ) 单个空泡溃灭时，形成的冲击 波叠加成一个单个的高强度的破坏性冲击波；( 2 ) 多个空泡同时发生溃灭时， 构成一个巨大的冲击波；( 3 ) 基于能量传递的观点，溃灭的空泡将能量传递 给未破裂的。外部空泡的破裂导致其周围局部压力增加，这个压力使其内部 空泡破裂，因此，单个空泡的潜在破坏性或溃灭压力沿空化群中心逐渐增加。 导勰趣 q 僦 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水力空化现象及产生的机理 目前的研究中，更倾向于采用第三种模型来解释现有的空泡溃灭时的情形。 由于空化过程蕴含着十分复杂的湍流现象，而湍流问题的研究一直是流 体力学上的难点，所以，直接模拟空化流场来计算空化能量是十分困难的。 现在所取得的计算结果也是将空化流场进行相当大程度的简化，所得结果均 误差较大，且计算量也相当大。表2 2 是早期的对溃灭压力的一些计算结果 【1 5 1 。 表2 - 2 早期的空泡溃灭时计算的压力 在早期的研究中由于实验条件的限制鲜有用实验方法测量的。h a l - g i s o n 报导过在离溃灭点1 0 厘米处液体中的压力测量，记录到压力峰值达到1 0 个大 气压。他推断，在溃灭点可能显示高达4 0 0 0 个大气压的压力。也有研究者通 常利用研究产生空化、空蚀破坏的水利设备上的麻点、凹坑的形态和大小来 估算空化泡溃灭时产生的高温高压。随着传感器的发展，压电式传感器逐渐 成为研究者们利用的主要测量工具，但这些传感器都需要特别设计制造。 j o n e s 和e d w a r d s 利用自治的压电式传感器测得溃灭压力最高可达1 0 g p a , k i r e j c z y k 利用类似的方法测得压力范围为4 8 8 1 g p a 。从可以获得的这些 数据中可以看出，空泡就好像一个能量高度集中的微小体，一旦溃灭压力会 大得惊人。 由于空泡在溃灭时会产生如此大的能量，高温、高压的极端条件，是产 生一系列空化效应主要原因，主要包括机械效应，热效应、发光效应和活化 效应等。这些空化效应被广泛应用到各个领域，水力空化处理油田污水主要 就是利用了空化发生时的活化效应。 2 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水力空化现象及产生的机理 2 5 本章小结 介绍了水力空化现象及其产生的机理。按照空泡产生、生长和溃灭的顺 序，分别介绍了哈维核子理论、r a y l e i g h - p l e s s e t 空泡动力方程及其应用以及 空泡溃灭模式及引发的各种空化效应；介绍了描述空化初生和空化状态的一 个重要参数一空化数的定义及其重要意义。为空化现象的模拟和空化规律 的研究提供了理论基础。 2 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章水力空化器的数值模拟 第3 章水力空化器的数值模拟 3 1f l u e n t 软件简介 f l u e n t 软件是目前市场上最流行的c f d 软件，它是用来计算流体流动 和传热问题的程序，是一种基于有限容积法的数值计算软件。 用数值模拟方法模拟一个流场包括网格划分、选择计算方法、选择物理 模型、设定边界条件、设定材料属性和对计算结果进行后处理几大部分。在 商用的c f d 软件的工作中，大约8 0 的时间是花费在网格划分上的，网格 划分能力的高低是决定工作效率的重要因素。f l u e n t 软件提供了非结构网格 生成程序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括 二维的三角形网格和四边形网格：三维的四面体、六面体及混合网格。f l u e n t 还提供了网格自适应功能，可以根据计算结果调整网格，便于精确计算流场 参数变化剧烈、梯度很大的流动。 f l u e n t 程序软件包括以下几个部分： ( 1 ) g a m b i t 一用于建立几个结构和网格的生成。 ( 2 ) f l l l 厄m _ ，用于进行流动模拟计算的求解。 ( 3 ) p r e p d f 一用于模拟p d f 燃烧过程。 ( 4 ) t g r i d 一用于从现有的边界网格生成体网格。 ( 5 ) f i l t e r s ( t r a n s l a t o r s ) 转换其他程序生成的网格，用于f l u e n t 计算。可以接口的程序包括：a n s y s ，i - d e a s ，n a s t r a n ，p a t r a n 等。 上述几种软件之间的关系如下图3 1 所示： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章水力空化器的数值模拟 网格 图3 - 1f l u e n t 软件各组件之间的关系 利用f l u e n t 软件进行流体流动模拟计算的流程大致如下：首先利用 g a m b i t 进行流动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出 用于f l u e n t 求解器计算的格式；然后利用f l u e n t 求解器对流动区域进行求 解计算，并进行计算结果的后处理。 利用f l u e n t 程序求解问题步骤如下： ( 1 ) 输入并检查网格； ( 2 ) 选择求解器( 2 d 或3 d 等) ； ( 3 ) 选择求解的方程，确定其他需要的模型； ( 4 ) 确定流体的材料物性； ( 5 ) 确定边界类型及其边界条件； ( 6 ) 条件计算控制参数； ( 7 ) 流场初始化； ( 8 ) 求解计算； ( 9 ) 保存结果，进行后处理。 根据每一种物理问题的流动特点，f l u e n t 采用了多种求解方法和多重网 格加速收敛技术，使软件能达到最佳的收敛精度。它又是基于完全并行平台 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章水力空化器的数值模拟 的计算工具，即可应用在超级并行计算机上，又可实现高速网络的分布式并 行计算，大大增强了计算能力。 利用商用软件进行数值计算已是科学研究中的一项重要手段，本论文采 用f l u e n t 研究不同空化发生器的空化现象及其影响因素，由于免去了独立编 程对n - s 方程求解实现的这一步，因此把主要精力放在对控制参数、边界 条件以及初始条件对最终流场结果的影响上。设定了正确的边界条件和流动 模型，就可以得出可靠的流场，节省了研究的时间和精力，可以更多地去研 究问题的物理本质，优化算法的选用和参数的设定，争取计算速度、稳定性 和精度方面达到最佳。 3 2 数学模型概述 本文利用f l u e n t 模拟空化现象采用的是分离求解器，显式线性化格式， 物理模型选取的是多相流模型中的混合模型( m i x t u r , ) ，在低压区引入空化 模型( c a v i t a t i o n ) ，湍流模型用的是标准k - 模型。对于二维模型的模拟， 压力速度耦合方式选用的是s i m p l e 方法，压力插值格式采用线性插值格 式；对于三维模型的模拟，压力速度耦合方式选用的是s m 伊l e c 格式，压 力插值格式采用p r e s t o ! 方法。对流项的离散格式均选用一阶迎风格式。 3 2 1 数值计算模型 分离求解方法即分别求解各个控制方程的方法。由于控制方程是非线性 的，因此求解必须经过多次迭代才能获得收敛解。图3 2 为求解流程图，其 过程可概述如下： ( 1 ) 流场变量更新。变量的更新都是在当前解的基础上，若是第一次 计算，变量由初始化过程更新； ( 2 ) 用当前压强和质量通量的值顺序求解u ，v g u w 的动量方程，以得 到新的速度场； ( 3 ) 因为( 2 ) 中得到的速度场的数值解无法完全满足连续方程，于是 再求解压强修正方程。压强修正方程是由连续方程和线化动量方程推导出的 2 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章水力空化器的数值模拟 泊松型方程，求解该方程可以得到对压强场、速度场和表面质量通量的修正， 从而满足连续方程； ( 4 ) 利用前面更新的数值解，求解湍流方程、能量方程、组元方程和 能量方程； ( 5 ) 在多相流计算中如果考虑相间耦合，则需要通过求解离散相轨迹 计算来更新连续相的源项； ( 6 ) 检验方程的收敛条件是否满足。如果满足，则停止计算。如果不 满足，则继续迭代过程。 图3 - 2 分离求解算法流程图 分离算法中采用压强速度耦合算法进行计算，具体格式包括s i m p l e 、 s i m p l e c 和p i s o - 三种。本文二维模型计算采用的是s i m p l e 格式，三维模型 计算采用的是s i m p l e c 算法。 $ i m p l e c 算法与s i m p l e 算法的基本思路一致，仅在通量修正方法上有 所改进，能加快计算的收敛速度，尤其是适用于增加的亚松驰迭代的问题， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章水力空化器的数值模拟 在s i m p l e c 中，为了加快收敛，压力校正亚松驰因子通常设为1 0 。但是， 在有些问题中，将压力校正松弛因子增加到1 0 可能会导致不稳定。对于这 种情况，需要采用较为保守的亚松驰因子或者选用s i m p l e 格