摘要：本文采用标准k-ε模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型，通过对文丘里气液混合器内的空化流场云图、蒸汽体积分数及空化数进行数值分析，探究了进口压力、温度、进气流量对气液混合器内空化流场的影响规律。结果表明：在出口压力一定时，随着入口压力的增加，空化区域变大，吸气孔处压力降低，进气量变大；进气流量对空化效果影响显著，空化强度与进气流量成反比，随着进气流量的不断增加，空化核心区域不断减小，保持较高的空化强度则需要较小的进气量。
关键词：自吸式,供气式,文丘里,气液混合器,水力空化,数值模拟
0引言
在氢氧化镁碳化反应过程中，碳化反应器内的气-液混合过程是影响碳化率和产品品质的关键因素。目前，碳化反应器的气-液混合过程主要采用机械搅拌结合鼓泡的形式，存在效率低、能耗高、传质不均匀等问题。水力空化是水动力产生的一种特殊现象，空化发生时，形成瞬时的高压、微射流、强冲击波的等极端条件，从而引发空化效应，如机械效应、热效应、化学效应等，促使介质均匀混合。
目前水力空化技术常用于强化反应过程，张博浩[1]通过水力空化产生的特殊反应条件来提高NazS2O₃湿法脱硝，结果表明水力空化显著增加了气液接触面积。王吉红”采用水力空化/臭氧工艺处理印染废水，研究表明该工艺对染料的去除效果好。余磊田1将水力空化用于脂肪酸甲酯环氧化反应，结果表明水力空化法与机械搅拌法相比加快了反应速率。本文主要对自吸和供气两种条件下文丘里结构气液混合器内的空化流动状态进行了数值模拟，探究了入口压力、温度、进气量对空化流场的影响，得到不同工况下参数变化情况，为文丘里混合器的优化设计提供了理论依据。
1模型及参数的设置
1.1建模及网格划分
本文研究的文丘里混合器是基于文丘里管结构的一种集空化和吸气于一体的装置。当液体经过文丘里管喉管段时流速达到最大值，产生负压，将二氧化碳气体经吸气孔吸入。图1所示为该装置的结构示意图，入口及出口直管段直径12mm、喉管直径4mm、进气口直径2mm、喉管长度8mm,反应器全长157mm。
为提高网格质量使用ICEM中结构化网格对流场计算域进行划分。此模型是对称模型，为节省计算资源，选取一半计算域进行网格划分，近壁面采用边界层处理，并对喉部位置进行网格加密处理，确保计算结果的准确性与收敛性。
1.2网格无关性验证
网格的尺寸和数量影响计算节点的分布，从而影响计算区域离散化情况。选用4种不同数量的网格进行无关性验证。结果表明:随着网格数量的增加，最大汽含率先增加后趋于稳定，当大于920 000时，继续加密网格对结果没有显著影响。综合考虑计算结果及效率，本文模拟选取的网格数量为920 000。
1.3设置参数和算法
在数值模拟过程中，针对文丘里混合器流场进行计算，湍流模型起到重要作用。本文采用标准k-E模型和标准避免函数法，提高计算精度，多相流模型选择Mixture模型，刘厚林(4)研究表明，大流量系数下Zwart-Gerber-Belamri空化模型具有更高的计算精度，所以本次研究应用ZGB空化模型。压力速度耦合方式选用SIMPLEC算法，压力使用PRESTO!格式离散。
1.4空化数和汽含率的介绍(表征参数)
1.4.1空化数
空化数是描述空化初生和空化状态的一个重要参数，空化数越小，空化程度越剧烈。其定义为式(1):
式中:Cv为空化数:p₂为下游恢复压力，选取模拟时文丘里管的出口压力;p.为模拟温度下水的饱和蒸气压;p为水的密度;V0为喉部中轴平均速度值。
1.4.2液体的蒸汽体积分数
液体的蒸汽体积分数是研究空化程度的一个重要参数，蒸汽体积分数越大，说明液体中空泡数量越多，空化效果越好。其表达式为式（2）：
式中：φv为蒸汽体积分数，Vv为空化产生蒸汽在两相中所占据的体积；Vl为液体在两相中所占据的体积；Vg为气体在两相中所占据的体积。
2文丘里混合器结果与分析
2.1入口压力对空化效果的影响
入口压力是水力空化过程中的重要运行参数之一。因此，本小节将探究文丘里混合器不同进口压力对空化性能的影响。边界条件：入口压力分别为0.20、0.30、0.40、0.50 MPa，出口压力为0.1 MPa，温度为20℃,在进气口关闭情况下，仿真结果如下。
如图2所示，入口压力增加，空化区域变大，空化核心区域均位于喉管末端。由图3可知，文丘里混合器内汽含率随入口压力的升高而增大，说明当出口压力恒定时，入口压力的增大使得液体流速加快，空化数下降，更易产生空化，空化强度增强。然而，当压力超过一定界限后，会对空化效应起到抑制作用。尤国荣[5]等研究发现：当空化状态发展为阻塞空化时，空泡的溃灭发生在形成的压缩水蒸汽云内，致使空泡坍塌程度下降，使得空化整体效果降低。同时，过度增加入口压力需要更大能耗。
2.2进气流量对空化效果的影响
本文研究的文丘里混合器，在主相入口压力为0.4 MPa，出口压力为0.1 MPa时。进气口质量流量为6×10-4 m3/h。在气液强化反应过程中，进气流量决定气体被吸进文丘里混合器时的气泡大小以及文丘里混合器内空化强度。因此，本小节探究进气流量对空化效果的影响。将二氧化碳气体从进气口处，通入反应体系内。边界条件：进气量为0～0.025 m3/h，溶液温度为20℃,入口压力为0.40 MPa，出口压力为0.1MPa。
由图4和图5可以看出，文丘里混合器内最大汽含率出现在初始扩张段靠近壁面处。进气量由0.01 m3/h增加至0.025 m3/h时，空化核心区的最大汽含率由0.963降低至0.947，且核心空化区域减小。当进气量达到0.03 m3/h，空化核心区的汽含率最小，文丘里混合器内几乎没有空化区域。可见，随着进气流量的增加，空化区域面积逐渐减少。这是因为，增大二氧化碳气体进气量会占据文丘里喉管内的有限通行体积，液体的体积分数减少，空化泡生长空间变小，空化强度降低。
在一定范围内，液体中含气量越高，气核数量增加，在一定程度上促进空泡形成；但当水中气量达到一定程度后，由于气泡尺寸变大，对空泡溃灭过程起到缓冲作用，空化效果减弱。这种现象在水力学上称为“掺气减蚀”。可见，空化强度与进气流量成反比，要想保持较高的空化强度需要较小的进气量。但在实验过程中待处理气体较多且流量较大，因此应当实际情况增加文丘里混合器个数，以保证其具有一定的空化强度。
3结论
本文采用ZGB空化模型和Realizable k-ε模型，通过仿真模拟，研究了不同操作条件下对自吸式文丘里气液混合器内空化强度的影响程度，结论如下：
当出口压力一定时，入口压力越高空化效果越好；当入口达到一定压力后，空化效果开始达到平稳状态。在该混合器内，入口压力为0.4 MPa时空化效果达到理想且稳定，此时最大汽含率可达0.981。
进气流量对空化性能有重要影响。在一定范围内随着进气流量的增加，空化强度逐渐减弱，进气流量达到0.03 m3/h时文丘里混合器内不再出现空化现象。这是因为随着进气流量的增加，混合器内气体所占的体积分数增大，液体体积减少，进而空化发生的核心区域变小。
本文仿真结果为文丘里混合器的优化设计提供了理论依据。
参考文献
[1]张博浩.水力空化强化Na2S2O8的船舶尾气脱硝性能与机理研究[D].大连：大连海事大学，2021.
[2]王吉红.水力空化/臭氧工艺深度处理印染废水及其机理研究[D].北京：北京科技大学，2023.
[3]余磊.水力空化技术制备环氧脂肪酸甲酯的研究[D].杭州：浙江工业大学，2013.
[4]刘厚林，刘东喜，王勇，等.三种空化模型在离心泵空化流计算中的应用评价[J].农业工程学报，2012，28（16）：54-59.
[5]尤国荣.环隙型水力空化器对过程强化性能的研究[D].大连：大连理工大学，2010.
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