淹没射流装置的空化特性研究.pdf

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1、第38卷第1期化工机械3l淹没射流装置的空化特性研究’雷飞东”邓松圣管金发(后勤f程学院)摘要在分析单空泡和空泡群簇溃灭压力模型的基础上，通过进口压力对空化数的影响及喷嘴几何结构参数对空化产生和苯酚降解效果的影响来研究淹没水射流装置的空化特性。研究表明，在一定压力范围内，提高进口压力能有效降低空化敷；在相同的空化教条件下，角形喷嘴对苯酚的降解效果要优于锥形喷嘴；喷嘴圆柱段在空化活动的产生过程中起着决定性作用．圃柱段长度为8mm，直径为1．2ram的角形喷嘴降解效果最佳。关键词淹没射流装置空化特性苯酚中图分类号TP601文献标识码A文章编号02

2、54-6094(2011)01-003l拼空化射流就是人为地在水射流流束内生成许多空泡，通过空泡破裂所产生的瞬时高温(1000—5000K)、高压(10—50MPa)、强烈冲击波和紊动剪切应力来增强射流作用的物理、化学效果¨1。利用空泡破裂时产生的强烈冲击波和素动剪切应力可对石油化工等行业的受污工件进行清洗、除垢，而瞬时高温、高压会使得局部水分子裂解，产生具有高活化性、强氧化性的OH·自由基，与溶液中的有机污染物发生氧化反应，达到对污水中的有毒有机物质降解处理的目的一“1。影响空化射流产生的因素除了工作液流的物化性质外，更为重要的是射流装置自

3、身结构参数所决定的固有空化特性。通过研究淹没射流装置的空化特性来优化装置结构，提升系统空化能效，以期对该方法走向工业应用有所贡献。1理论模型研究在水力空化形成过程中，空泡群簇有效体积和空泡溃灭时产生的高温、高压和压力脉冲取决于限流装置的结构特性和液流工作条件。笔者通过单空泡和空泡群簇两种方式来讨论空泡溃灭压力与装置结构参数间的关系。1．1单空泡溃灭压力模型单空泡是构成空化群簇有效体积的基本单元，对单个空泡的溃灭压力及空化特性的量化是研究空化过程的基础。如果溶液中空泡的密度不太大，则可近似认为每一个空泡将独立运动，而邻近空泡运动对其影响可忽略，

4、则单空泡的溃灭压力理论公式p’为：!二-=1+[(R。／R)3一I3‘／3／{4‘力[(R。／R)’一1]‘／，lP。(1)由式(1)可以看出，溃灭压力P。取决于初始压力P。和空泡初始半径与溃灭半径的比值R。／尺，尤其是后者影响更大。研究表明，在一般液体粘度条件下，小尺寸空泡抗表面压力、液流紊动冲击能力相对越强，R。／R值反而越大，空泡溃灭时的压力越高；空化射流装置限流区域越短，过流面积越大，空泡在产生、长大过程中越易受液流的紊动剪切应力冲击，有利于初始小尺寸空穴的产生。1．2空泡群簇溃灭压力模型在绝大多数空泡的产生、发展以及溃灭过程中，其运

5、动都不是孤立的，因而以空泡群簇方式研究淹没射流装置的空化特性更为真实，由于空泡运·重庆市自然基金(CSTC．2009BB7177)。¨雷毪东，男。1977年10月生．博士研究生。重庆市．400016。32化工机械2011年动的多变性、多相性以及空泡间、泡液间运动干涉的复杂性和不确定性，到目前为止还没有空泡群簇溃灭压力的理论研究模型。笔者利用KanthalePM和GogatePR研究得出的空泡群簇溃灭压力P。和有效体积n的经验公式旧1来进行讨论：P。=0．3023(p2)n972(r。)一。·7“(d。)O．539(7)n蚰坩(r／r。)一26

6、0．(2)匕=2．0395(p．)-1·2蚴(p：)I．2195(r口)2·22黔(d。)o’5哪(7)0’n鲋(3)由式(2)、(3)可以看出，恢复压力值P：，限流装置直径d。，能量传递损失y，群簇中空泡数量(空泡群簇半径与单空泡初始半径比值r／r的大小很大程度上反映了群簇中空泡数量的多少)对溃灭压力的影响是正向的，而空泡群簇初始半径越小溃灭压力会越高，但空泡群簇中空泡数量对溃灭压力值的影响较初始半径大得多，最为理想的效果是在较小的群簇初始体积中产生较多的空泡。由空泡群簇有效初始体积的量化经验式，可近似认为初始有效体积取决于恢复压力P：和群

7、簇初始压力P。的比值、群簇初始半径、射流装置限流区域直径和能量传递损失率，而群簇初始半径的影响最大。综合来看，较大的初始群簇半径和限流区域直径有助于产生较高的空泡群簇溃灭压力和较大的群簇有效体积。2实验装置与方法试验装置如图l所示，由高压泵、反应容器、散热装置、喷嘴、管路和阀门等组成。水从储存池经高压泵加压后从喷嘴喷出，射入反应容器内，射流冲击到固定叶片上形成漩流，再经回流管路流人储存池，形成闭合回路。高压泵采用3GQ-4．2／40型柱塞泵，额定工作压力30MPa，额定流量40L／rain，额定功率40kW，转速280r／rain，存储池容量

8、为25L，反应容器的容积为20L，4支叶片环形固定在调节杆上，与调节杆的夹角为600，叶片与喷嘴的间距可以调节。图1实验装置示意图存储池充水量为满储量的80％，试验