超声频率和管型对超声空化效应的影响研究*

张艾萍 杨 钊 夏荣涛 丁 权 张媛媛

(东北电力大学能源与动力工程学院)

超声频率和管型对超声空化效应的影响研究*

张艾萍**杨 钊 夏荣涛 丁 权 张媛媛

(东北电力大学能源与动力工程学院)

利用FLUENT软件对不同换热管型在不同频率下的空化效应进行了数值模拟。通过比较换热管中的汽含率，反映空化效应的优劣,得出最佳的空化频率。结果表明：圆管、波纹管、波节管在超声频率为20kHz时空化效果最佳，横纹管在超声频率20～25kHz范围内的空化效果最佳。对于不同结构的换热管道，横纹管的几何结构更有利于空化的产生，其次是波纹管和圆管，波节管最不利于空化的产生

换热管 超声波频率 超声空化 数值模拟

在当今资源紧缺和环境恶化的现状下，节约资源显得越来越重要。这也使得换热器除垢技术需不断地更新发展，以减少对能源的浪费。由于超声波除垢具有能耗低、无污染等特点，是一项安全、节能、符合国家环保政策的新技术，并在工业应用中逐渐发展成熟，因此，该技术在不同行业中推广开来[1，2]。在超声波除垢技术中，超声空化效应起到了重要作用，也直接影响了除垢效果的优劣，因此，国内外学者对超声空化的研究也在逐渐深入。Liu L Y等研究了水中不凝结性气体对超声空化的影响[3，4]，研究表明不凝结性气体含量小的流体超声空化效果较好，并对比了不同不凝结性气体含量下的空化程度。García-Atance Fatjó G等研究了超声波参数对空化强度和金属表面气蚀的影响[5]。Niemczewski B研究了碱性溶液温度对超声空化的影响，发现碱性溶液诸如碳钙盐、硅酸盐和磷酸盐溶液的最佳空化温度为60℃，并比较了60℃时不同频率对空化效果的影响[6，7]。刘丽艳等研究了固体颗粒对超声空化场的影响，表明在流体中加入固体颗粒不但提高了超声空化强度而且改善了声场的均匀性[8]。李林等利用Matlab进行编程，研究了超声波参数及流体介质参数对单个空化泡的影响，低频率高功率对于超声空化泡的产生比较有利，流体粘度越小、不可压缩气体含量越高，空化效果越好[9～12]。曹玉叶等研究了双空化泡的运动特性[13，14]。贲永光等实验分析了单频和复合频对空化效果的影响[15]。卢行芳的研究表明，超声波在传播过程中存在热效应，这种热效应会使传播介质温度升高[16]。刘秀梅等研究了不同表面张力、频率、气泡初始半径、环境压力对空化泡运动的影响[17]。王萍辉在对超声空化的有关理论进行了研究的基础上，研究、分析与总结了影响超声空化液体的若干物理参数、声场参数及环境压力等多种因素[18]。孙冰和张会臣运用FLUENT软件对磁致伸缩超声振动仪中超声空化的影响因素进行了研究，发现低声压、较低声压幅值和不可压缩气体含量较大时，空化效果较好[19]。王智勇运用FLUENT软件对文丘里管的空化效果和影响因素进行了研究[20]。张艾萍等通过实验分析了不同管型在不同温度、入口速度时，超声波在20kHz下的传播特性，数值计算了管道内某一点的空化情况[21，22]。

综上，虽然诸多学者进行了超声空化泡影响因素的理论分析和实验研究[23]。但是，超声空化泡并不能完全表示超声波在实际工业应用中的空化效果[24]。而对于强化换热管整体空化效果的研究则更少。因此笔者主要从工业实际应用着手，利用FLUENT商业软件通过数值模拟计算，得出实际应用中超声波在强化换热管道中产生的空化效果，通过不同管道位置的汽含率的不同，来反映实际空化效果的优劣。

1 超声空化数值计算

1.1 几何模型的建立

笔者对圆管、横纹管、波节管和波纹管采用二维物理模型进行了模拟计算。并在流体进入管道流动一段长度后加入超声波，主要研究了超声波入口后的2m范围内的空化效果。圆管采用了25mm的管径，其他管型的主要几何参数如图1所示，横纹管的几何参数为：φ1=25mm，φ2=21mm，L=30mm，R=5mm。波节管的几何参数为：D1=19mm，D2=25mm，s1=8mm，s2=13mm，s=21mm。波纹管的几何参数为：D=25mm，d=21mm，s=30mm。

a. 横纹管

b. 波节管

c. 波纹管

1.2 数学模型的建立

动量方程：

(1)

连续性方程：

(2)

式中p——水的压力；

T——温度；

αv——蒸汽份额；

μm——混合流体的粘性系数；

ρm——混合流密度；

ρv——饱和蒸汽密度。

由Singhal A K等提出的空化模型[25]，其空泡动力学方程为：

(3)

(4)

(5)

式中Ce——模型系数；

fv——饱和蒸汽的质量分数；

fg——空气的质量分数；

k——湍动能；

pv——饱和蒸汽压力；

S——表面张力系数；

ρl——水的密度。

1.3 模型的引入与初始条件的设置

笔者采用了文献[21]中的模型，在研究管道流动状态时，选择了标准的k-ε模型，近壁处理选择标准壁面函数。由于在空化作用下，液态水会在超声波的作用下产生空化泡，因此选用Mixture模型，并加入全空化模型以满足数值计算的需求。对于超声波的加入，笔者采用压力波进行描述[26]，并通过UDF(User-Defined Function)引入FLUENT中。对于压力和速度耦合选择PISO格式，压力离散方式采用PRESTO！方式，蒸汽离散模式采用Quick模式，其他模式均采用二阶迎风方式，以提高计算精度。

在笔者采用的模型中，选择水为流体介质，空化压力为20℃饱和蒸汽压力2 367.8Pa。对不同的管型分别在20、25、30、35、40、45kHz的超声波频率下，分别采用0.250、0.200、0.167、0.143、0.125、0.111μs的步长迭代300步，即每种频率都迭代150个周期进行数值计算。

2 计算结果分析

2.1 超声波频率对空化效应的影响

笔者通过分析超声波入口后2m范围内的汽含率随管道位置的变化趋势，得出超声波频率对空化效果的影响规律。

其中不同超声波频率下圆管、横纹管、波纹管和波节管中汽含率随管道的位置的变化规律如图2所示。

图2 汽含率随管道位置的变化规律

从图2a、c、d中可以看出，对于圆管、波纹管和波节管，在超声频率为20kHz时汽含率最大，45kHz时汽含率最小。通过观察图2b可以看出，对于横纹管，当超声波频率从20kHz升高到25kHz时，汽含率变化并不明显，而若不断升高超声波频率至45kHz，则汽含率不断下降。这主要是因为随着超声频率的升高，超声波的振动周期逐渐缩短，由于过快的周期性变化，膨胀相的时间逐渐变短，空化核来不及增长到可产生空化泡，与此同时，压缩相时间的缩短，也无法让空化泡溃灭。最终导致了空化效果较差。

对于同一个管道类型，在超声波入口处，由于过高的声压使得水不容易产生空化效果，同时汽泡在过高的声压下亦会破裂溃灭，故而使得超声波频率和不同管道结构对空化效果的影响微弱。因此，在超声波入口处，管道内的汽含率并不是很理想。

随着管道位置远离超声波入口，管内的汽含率都呈上升趋势，这主要由两方面原因引起：一是在传播过程中，超声波不断地衰减，即声压不断降低，致使压力小于水的饱和压力，故水汽化为水蒸气形成汽化泡，因此汽含率会不断增加；二是由于超声波的热效应，超声波在管道的传播过程中，空化泡破裂释放出来的能量转化为了流体的热量，促使水温升高，空化效果增强。

随着管道的增长直至管道出口处，管内的声压继续变小，此时声压的减小使得管内汽泡的生成与溃灭几乎保持在了一个平衡状态，空化泡的数量变化微弱。这主要是由于声压的降低让空化泡并不能破裂溃灭，而是随着声波在振动。

2.2 换热管型对超声空化效果的影响

在超声波的传播过程中，不同的换热管道的几何结构同样会对超声空化产生一定的影响。笔者通过对比同一超声波频率下不同换热管道内的汽含率的变化，分析了几何结构对超声空化效果的影响(图3、4)。从上文可知，除横纹管在20～25kHz范围内时空化效果最佳外，其余3种管型均在20kHz时空化效果最佳。在综合考虑后，研究了超声波频率为20kHz时不同管型对空化效果的影响规律。

图3 局部管道的压力分布

图4 相同频率下不同管道的汽含率

从图3a、4a可以看出，在圆管管径不变化条件下，管内的汽含率为一个逐渐上升的直线，在这个过程中，声压的传播过程受到了管道沿程阻力的影响而减小，即超声波传播是衰减过程。声压逐渐减小和超声波的能量损失传递给水，导致空化效果越来越好。

而图3b、4b、3c、4c、3d、4d中的横纹管、波纹管、波节管的管径在不断变化，管内汽含率的变化各不相同。根据热力学定律，流体在变化的空间中流动时，压力会随着空间的大小而变化。图3b、4b中的横纹管，当管径变小时声压减弱，并且管道内结构的变化形成了局部空穴，使汽化核心更容易形成，逐渐形成空化泡，最终空化效果变强。而随着管径的增加，声压恢复到原有状态，已生成的汽泡被大量压迫溃灭，空化泡的溃灭产生高温区，温度的升高又使空化泡变得容易生成，故而此时的汽含率较原来略高。

从图3c、4c中可以看出，汽含率和声压的分布呈交替性变化过程。主要因为管径始终在变化，这样超声波的传播比较复杂，其中的声压在较短的一段管道内呈周期性增加、减弱。而当声压的膨胀相与管径的变小一致时，更容易空化效果的产生。而随后的压缩相以及管道机构本身的扩压迫使大量空化泡溃灭，故而汽含率突降。

图3d、4d中的波节管恰与图3b、4b中的横纹管变化相反。波纹管管径突然增大的过程中，声压快速增加，大量空化泡被压破溃灭，而空化泡的破裂又会使得局部温度升高，故而在汽含率降低过程中又会有局部的升高。但是这种效应的变化是极快的，故而汽含率仍显示为一种下降的趋势。随后的管径增大促使空化核再次形成。而管道声压的变动亦会造成能量的损失，促使温度升高，声压逐渐减小，故而汽含率逐步增加，且并不十分规律。

3 结论

3.1超声波频率对空化效果有明显的影响。圆管、波纹管和波节管的最佳超声空化频率为20kHz。横纹管的最佳超声空化频率为20～25kHz。

3.2不同管道的几何类型也会对超声空化效果产生一定的影响。横纹管更有利于空化效果的产生，其次是波纹管和圆管，波节管最不利于超声空化的产生。

3.3主要研究了超声波入口后2m范围内的超声频率和不同类型的强化换热管型对超声空化效果的影响。由于横纹管利于超声空化效果的产生，并且其最佳的超声波频率范围也较其他管道类型大一些，故而在选择超声波除垢时，若其他条件相同，选用横纹管空化除垢效果最佳。

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InfluencesofUltrasonicFrequencyandTubeTypesonUltrasonicCavitationEffect

ZHANG Ai-ping, YANG Zhao, XIA Rong-tao, DING Quan, ZHANG Yuan-yuan

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

FLUENT software was adopted to simulate cavitation effect of various heat exchange tubes at different frequencies. Comparing the vapor volume fraction of heat exchange tubes and analyzing cavitation effects show that, the circular tube, and bellows tube and corrugated pipe have optimum cavitation effect when ultrasonic frequency stays at 20kHz, so does the transversally-corrugated tube at the ultrasonic frequency from 20kHz to 25kHz. For the different heat exchange tubes, the geometric structure of the transversally-corrugated tube can benefit cavitation occurrence, then comes to the bellows tube and circular pipe in turn, the corrugated pipe goes against the generation of cavitation.

heat exchange tube, ultrasonic frequency, ultrasonic cavitation, numerical simulation

*国家自然科学基金项目(51476025)，东北电力大学博士科研启动基金项目(BSJXM-201207)。

** 张艾萍，男，1968年2月生，教授。吉林省吉林市，132012。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)04-0517-06

2015-03-23)