孔板空化器純水空化效應實驗

韓桂華 趙恩玉 李大尉 趙志偉 陳林秋 朱宜鵬

摘? 要：為了研究孔板結構參數對空化效應的影響，以孔板式空化器為例，依據氣泡動力學理論，建立孔板內氣液兩相動態空化模型，推導出孔板通道及出水口流量方程。采用實驗的方法，在初始操作參數條件下，固定出口壓力為0MPa，調節入口壓力，在入口壓力與出口壓力壓差值0.2MPa～1MPa范圍內，以0.1MPa等差值遞增共實驗九次，改變孔板厚度、孔數、孔型結構，以水的物化性質電導率為表征手段，以溶解氧作為輔證，研究孔板結構參數對空化效應的影響。結果表明：隨著入口壓力的升高，液體的空化強度越強，且當入口壓力達到一定值時，空化強度趨于穩定；改變孔板厚度，壓差在0.2MPa～0.9MPa內，8mm孔板的電導率達到140.54μS/cm，空化效果最佳，壓差在0.9MPa～1MPa內，10mm孔板的電導率達到142.47μS/cm，空化效果最佳；改變孔板孔數，壓差在0.2MPa～0.6MPa內，五孔孔板的電導率達到136.51μS/cm，空化效果最佳，壓差在0.6MPa～1MPa內，三孔孔板的電導率達到141.61μS/cm，空化效果最佳；改變孔型結構，壓差在0.2MPa～1MPa內，孔型對孔板空化強度的影響微弱，整體圓形空化效果最好，方形次之，三角形最差。

關鍵詞：孔板；純水；空化效應；溶解氧；電導率

DOI：10.15938/j.jhust.2023.05.014

中圖分類號： O427.4

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2023）05-0110-08

Cavitation Effect of Pure Water on Orifice Plate

HAN Guihua1，? ZHAO Enyu1，? LI Dawei2，? ZHAO Zhiwei1，? CHEN Linqiu1，? ZHU Yipeng1

（1.School of Mechanical and Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China;

2.Institute of Advanced Technology Heilongjiang Academy of Sciences， Harbin 150020， China）

Abstract：In order to study the influence of structural parameters of orifice plate on cavitation effect， a gas-liquid two-phase dynamic cavitation model in orifice plate was established based on bubble dynamics theory， and the flow equations of orifice plate passage and outlet were derived. Under the initial operating parameters， the outlet pressure was fixed at 0MPa， and the inlet pressure was adjusted. The pressure difference between the inlet pressure and outlet pressure was 0.2MPa～1MPa， and the equal difference value of 0.1MPa was incremented for nine times. The thickness of the orifice plate， the number of holes and the pore structure were changed. The effect of structural parameters of orifice plate on cavitation effect was studied. The results show that the cavitation strength of liquid becomes stronger with the increase of inlet pressure， and tends to be stable when the inlet pressure reaches a certain value. By changing the thickness of orifice plate， the conductivity of 8mm orifice plate reaches 140.54μS/cm when the pressure difference is between 0.2MPa and 0.9MPa， and the conductivity of 10mm orifice plate reaches 142.47μS/cm when the pressure difference is between 0.9MPa and 1MPa. Changing the number of holes in the orifice plate，the conductivity of the five-hole plate is 136.51μS/cm when the pressure difference is between 0.2MPa～0.6MPa， and the conductivity of the three-hole plate is 141.61μS/cm when the pressure difference is between 0.6MPa～1MPa. Changing the pass structure， the pore structure and the pressure difference between 0.2MPa～1MPa， the influence of the pore shape on the cavitation strength of the orifice plate is weak， and the overall circular cavitation is the best， followed by the square one and the triangle one.

Keywords：orifice plate; pure water; cavitation effect; dissolved oxygen; electrical conductivity

收稿日期： 2022-04-07

基金項目： 黑龍江省自然科學基金（E2016040）；國家自然科學基金（51375123）；黑龍江省科學院科學研究基金（KY2020GJS03）.

作者簡介：

趙恩玉（1997—），女，碩士研究生；

李大尉（1982—），男，副研究員.

通信作者：

韓桂華（1972—），女，博士，副教授，碩士研究生導師，E-mail：641544105@qq.com.

0? 引? 言

空化現象是一種發生在液體介質中劇烈的物理現象［1］，其原理為液體在常溫下流經節流裝置時，流速增加、壓力降低［2］，當液體的局部壓力降至飽和蒸氣壓［3］及以下時，液體中的可溶性氣體就會析出形成氣核［4］，隨著壓力不斷升高，氣泡會不斷增長直至潰滅［5］。該過程會釋放大量能量，因此水力空化技術得到廣泛研究，已經應用在水消毒［6］、納米材料合成［7］、廢物活性污泥處理［8］、乳化［9］、細胞破壞［10］、生物燃料合成以及清洗管道［11］等多個方面。

空化過程中產生巨大的空化效應，在空化效應對溶液的物化性質方面，研究發現空化過程中產生巨大的剪切力，將污水中有機大分子打碎成小分子，使污水中化學需氧量增高，另一方面有機小分子礦化形成礦物鹽，增大離子濃度，使得污水的電導率也逐漸增加［12］;剪切力還使污泥中的微生物細胞和絮狀體破碎，產生離子并使PH值升高［13］?？栈^程中氣核不斷增多，加強了流場空化強度，過氧化氫含量增加，其中O2作為反應物不斷被消耗，溶解氧逐漸降低［14］。黃永春在探究水力空化對原糖溶液表面張力的影響發現，隨著空化時間增長，使得原糖溶液中的膠體粒子的水化層破壞，分子間作用力減弱，表面張力逐漸降低［15］。

在空化強度表征方面，大多數學者通過檢測空化過程中產生·OH濃度的變化間接表征流場空化強度的變化，為數值模擬的驗證和評價提供依據［16-17］。中北大學的楊思靜等［18］利用空化前后亞甲基藍溶液吸光度的變化，來推算空化過程中產生羥基的濃度，以此作為空化強度的表征手段。

通過大量實驗，研究了空化過程中不同溶液的物化性質的變化情況，結果表明溶液的物化性質能較好地表征空化強度，同時空化效應的強弱與水物化性存在關聯性，因此本文以純水作為空化介質，孔板式［19］空化器為例，探究孔板厚度、孔數、孔型對孔板空化器內空化特性的影響，并以水中溶解氧來表征空化強度，以電導率加以輔證。

1? 空化通道內流體流量方程推導

孔板空化器內流體流過孔板時，流體的流速與壓力出現明顯的變化。如圖1所示，充滿管道的流體由界面1流至界面2時，流體的壓力由p1降低到p2，平均流速由u1增加至u2，兩截面間形成了壓差。流體流過界面2后，壓力升高，流速降低，到達截面3時，流場的分布恢復了均勻狀態。但是在流場中阻力的作用下，流體的壓力p3并沒有恢復到p1，流體的壓力損失［20］為Δω=p1-p3。

在孔板空化器內，截面1與截面2處于同一水平線上，兩截面處的勢能相等，因此伯努利方程與流體連續性方程可以表示為

p1ρ+c1u212=p2ρ+c2u222+ξ（1）

Au1=A2u2（2）

式中：A為管道的入口面積；A2為截面2處的通流面積；ρ為流體的密度；u1、u2為截面1、2處流體的平均流速；c1、c2為平均流速的動能修正系數；ξ為能量損失系數。

由式（1）和（2）可得截面2處的平均流速為

u2=2（p′1－p′2）ρ（c2+ξ－c1A22A2（3）

式中：p′1、p′2為截面1、2處流體的平均壓力。

對于截面2處的通流面積A2是無法進行測量的，這里用孔板的開孔面積A1來表示。

A2=μA1（4）

式中μ為收縮系數。

定義孔板截面1處與截面2處的等效直徑之比為β，公式為

β=rR=πr2πR2=A1A（5）

式中R、r分別為截面1、2的等效直徑。

將式（4）與式（5）代入式（3）求解得：

μ2=1c2+ξ－c1μ2β42Δp′ρ（6）

在實際應用中，實際測量的截面1、2處的壓差Δp與平均壓力差Δp′是存在差異的，對此要引入ψ進行補償，其中ψ為取壓系數。即：

ψ=ΔpΔp′（7）

由式（4）～式（7）可得孔板通道處流體的流量方程為

qv=u2A2=u2μA1=μψc2+ξ－c1μ2β4β2A2Δp′ρ（8）

由圖1可知，在流場中阻力的作用下，流體壓力p3并沒有恢復到p1，流體內存在壓力損失。根據截面2、3的流體狀態列動量方程：

p2A2+p2（A－A2）－p3A=ρqv（u3－u2）（9）

壓力損失為

Δ=p1－p3（10）

由式（1）與式（8）～式（10）可得壓力損失：

Δ=（1+2μβ2（μβ2－1）c2+ξ－c1μ2β4）Δp=

（1+2μβ2（μβ－1）c2+ξ－c1μ2β4）ψΔp（11）

同理可推導出圖1中截面3處的流量方程為

q3=A3c3+ξ－c1μ2β4·

（2+4μβ2（μβ2－1）ρ（c2+ξ－c1μ2β4）Δp′（12）

式中：c3為u3的動能修正系數；A3為出水口通流面積。

2? 孔板空化實驗

2.1? 實驗裝置

為了完成水力空化實驗，由黑龍江省科學院高技術研究院提供了一套孔板式水力空化循環系統，實驗裝置的結構圖如圖2所示。

1.電源 2.頻率調節裝置 3.電機 4.水泵 5.流量表 6.數顯壓力表 7.空化器 8.指針壓力表 9.冷卻 10.水箱

該實驗裝置采用YE2-200L1-2型三相異步電動機，功率30kW，額定電壓380V，額定電流55.4A，轉速2950r/min，額定頻率50Hz，電動機定子繞組Δ連接方式。水泵參數流量25m3/h，轉速2950r/min，揚程120m，吸程4m。頻率調節裝置41Hz，數顯壓力表0.51MPa?？栈b置選用的孔板如圖3所示。

由圖2、3可見，孔板空化器內的流體由3部分組成：入口段（長度為35mm，直徑為45mm）、孔板通道（長度為5mm）、出口段（長度為190mm，直徑為60mm）?？装?、2、3的圓孔直徑均為3mm；孔板4為邊長3.5mm的正三角形孔；孔板5為邊長3mm的正方形；多孔孔板的孔間距約為7.6mm。

2.2? 實驗步驟

1）向水箱內注入自來水，開啟水泵運行2min，去除雜質；

2）再次注水，每隔一定時間，從出水管進行取樣，水樣進行水浴恒溫；

3）固定出口壓力為0MPa，調節入口壓力，入口壓力與出口壓力差值為壓差，控制壓差在0.2MPa-1MPa范圍內，以0.1MPa等差值遞增，具體為0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa…1MPa實驗9次。完成一個壓差后，改變入口壓力重復上述實驗操作；

4）結束一個孔板所有壓力的實驗，關閉電機，空化反應器更換孔板，重復上述實驗操作。

2.3? 正交試驗優化操作參數

在空化實驗過程中，操作參數同樣對空化介質的性質具有很大的影響，主要為空化時間、介質初始溫度、時效對空化水的電導率、溶解氧的影響。在考慮單因素的情況下，隨著空化時間的增加，水溶液的電導率會逐漸升高，水溶液的溶解氧因氧氣的消耗而逐漸降低，最終趨于穩定，繼續增加空化時間只會產生無用的工作量；在一定范圍內升高水的初始溫度，有助于孔板通道內氣核的析出，促進空泡內化學反應的發生，但溫度過高不利于觀察其性質的變化規律；空化水樣在放置一段時間后，測得其穩定后的性質可保證實驗的準確性。

空化時間、介質初始溫度、時效等因素均對水溶液的性質有著不同的影響，故根據現有實驗設備設計操作參數組合的正交試驗，以五孔孔板為參考，在0.6MPa壓差下進行實驗，水平因素見表1，按照L9（33）正交表進行實驗，正交試驗結果見表2。

由表1可知，影響電導率變化范圍最大的因素是空化時間，故將其控制在有效水平，根據K值可知A2（60min）為其最佳水平；第2影響因素為介質的初始溫度，其最佳水平為B2（15℃）；對電導率影響最小的因素是水樣放置時間，最佳水平為C1（10min）。以上參數組合作為純水介質水空化實驗的最佳操作參數方案。

后續水性質空化效果實驗中，空化時間以60min為最長空化時間，初始溫度采用15℃，測試水樣電導率時效為10min。

2.4? 孔板厚度對空化效應的影響

實驗用水的初始溫度為15℃，采用5mm、8mm、10mm厚度的孔3（五孔）孔板以0.1MPa等差值遞增，在0.2MPa～1MPa壓差范圍內分別進行九次空化實驗，

空化時間為60min，每個水樣等量分成三份放置10min待其穩定后進行測量，取其電導率、溶解氧的平均值并記錄實驗數據，整理得到水的電導率隨壓差的變化規律如圖4所示。

由圖4可知，對比不同厚度孔板的電導率隨壓差的變化可以發現，電導率總體呈上升趨勢，在0.2MPa～0.8MPa壓差下，電導率（8mm）＞電導率（5mm）＞

電導率（10mm），說明厚度為8mm孔板的空化效果最佳，0.8MPa～1MPa時，上升趨勢變緩，當壓差大于0.8MPa時，10mm孔板電導率恢復上升趨勢，當壓差在1MPa時，電導率為142.47μS/cm達到最佳，說明10mm孔板適合高壓空化。分析原因：空化本質是氣核不斷長大直至潰滅的過程，壓差在0.2MPa～0.8MPa時，厚度為5mm孔板產生的氣核少于厚度為8mm孔板產生的氣核，顯然8mm的孔板空化效果要優于5mm孔板，厚度為10mm的孔板產生氣核更多，但氣核越多，通過孔板的沿程損失越大，氣核剛產生就發生潰滅，釋放的能量較少，故8mm厚度的孔板效果最好；壓差在0.8MPa～1MPa時，高速射流中氣核發育不充分，在流場內未能及時潰滅，且由于氣泡的存在使溶液的導電性降低，故電導率增速變緩，隨著壓差升高，產生氣核越多，沿程損失越大，而10mm的孔板相對較厚，空化區域較大，隨著壓差不斷增大，孔板越厚空化效果越好。

水的溶解氧隨壓差的變化規律如圖5所示。由圖5可知，純水在空化裝置的作用下，水的溶解氧隨著壓差的升高逐漸降低，這是因為隨著壓差的升高，空化強度逐漸變強，空泡潰滅釋放的高溫高壓促使O2裂解成為·O參與反應，化學效應的正反應逐漸變強，O2的消耗量逐漸增加，使水中的溶解氧含量逐漸降低；對比不同厚度孔板的溶解氧隨壓差的變化可以發現，不同厚度孔板的溶解氧在相同壓差下呈現出，壓差（8mm）＜壓差（5mm）＜壓差（10mm），最小差值達到0.19mg/L，說明8mm孔板的空化效果最佳，10mm孔板的空化效果最差。

2.5? 孔板孔數對空化效應的影響

實驗用水的初始溫度為15℃，采用厚度為8mm的圖3中的孔1（單孔）、孔2（三孔）、孔3（五孔）的孔板以0.1MPa等差值遞增，在0.2MPa～1MPa壓差范圍內分別進行9次空化實驗，空化時間為60min，每個水樣等量分成三份放置10min待其穩定后進行測量，取其電導率、溶解氧10次數據的平均值并記錄實驗數據，整理得到水的電導率隨壓差的變化規律如圖6所示。

由圖6可知，電導率隨壓差總體呈上升趨勢，隨著壓差的升高，空化強度逐漸變強，水中化學反應平衡偏移，性質活潑的物質增多，水中易產生新的帶電粒子或原有帶電粒子電荷數增加，致使水的電導率逐漸升高。壓差在0.2MPa～0.7MPa時，五孔的空化強度最佳；當壓差在0.7MPa～1MPa時，3種孔板的電導率值表現為：三孔＞五孔＞單孔，說明三孔孔板的空化效果最佳適合高壓空化。分析原因：單孔孔板在流量和流速方面都弱于三孔孔板和五孔孔板，空化效果差，故電導率差距較大；壓差在0.2MPa～0.7MPa時，五孔孔板流量大于三孔孔板和單孔孔板，流量越大，過流系數越大，空化效果越好；壓差在0.7MPa～1MPa時，隨著壓差不斷升高，三孔孔板流速大于五孔孔板，根據能量守恒方程，動能越大，壓力勢能越小，當小于飽和蒸氣壓時，即產生空化現象，故壓差越大，三孔孔板空化效果越好。

水的溶解氧隨壓差的變化規律如圖7所示。由圖可知，不同孔數的溶解氧隨著壓差的升高逐漸降低，這是因為隨著壓差不斷升高，空化強度逐漸變強，空泡潰滅釋放的高溫高壓促使O2裂解成為·O參與反應，化學效應的正反應逐漸變強，O2的消耗量逐漸增加，使水中的溶解氧含量逐漸降低；且單孔、三孔、五孔孔板的溶解氧降幅分別為：0.91mg/L、1.69mg/L、1.47mg/L，壓差在0.2MPa～0.9MPa時，五孔的溶解氧略小于三孔孔板的溶解氧值，說明五孔孔板效果更優；壓差在0.9MPa～1MPa時，三孔的溶解氧達到最低3.79mg/L，說明三孔孔板效果更優，更適合于高壓空化。以上結果表明孔數對孔板空化強度影響較為顯著。

2.6? 孔板孔型對空化效應的影響

實驗用水的初始溫度為15℃，孔板厚度為8mm，以0.1MPa等差值遞增，在0.2MPa～1MPa壓差范圍內，分別對三角形、正方形、圓形孔的三孔孔板進行九次空化實驗，空化時間為60min，每個水樣等量分成三份進行測量，取其電導率、溶解氧10次實驗的平均值并記錄實驗數據，整理得到水的電導率隨壓差的變化規律如圖8所示。

由圖8可知，電導率隨著壓差升高總體呈上升趨勢，壓差在0.8MPa～1MPa時，增幅逐漸變緩，這說明隨著壓差的升高，孔板的空化強度逐漸變強，且空化強度不會隨著壓差無限升高；在相同壓差下，三種孔型的孔板電導率值比較接近，說明開孔率相近的情況下，孔型對孔板空化強度的影響較小，但可以看出細微差別，圓形的電導率＞正方形的電導率＞三角形的電導率，表明圓形孔板空化效果最好。分析原因：三角形孔板和正方形孔板都具有棱角，在棱角處縫隙小，流速快，根據能量守恒定律，流體動能越大，壓力勢能越小，當小于大氣飽和蒸氣壓時，越容易發生空化，而且產生空化較強，但只有棱角處有空化現象，而圓形孔板一圈都可以發生空化，整體而言，圓形孔板空化效果較好。

水的溶解氧隨壓差的變化規律如圖9所示。由圖可知，不同孔形狀的溶解氧隨壓差總體呈降低趨勢，這是因為隨著壓差不斷升高，空化強度逐漸變強，空泡潰滅釋放的高溫高壓促使O2裂解成為·O參與反應，化學效應的正反應逐漸變強，O2的消耗量逐漸增加，使水中的溶解氧含量逐漸降低壓差在0.2MPa～1MPa下，不同孔型的溶解氧數值較為接近，可以看出細小的差別，溶解氧的數值整體表現為：三角形＞正方形＞圓形，表明孔形狀對孔板空化強度的影響微弱，整體圓形孔板效果略好一些，方形孔板其次，三角形孔板較差一些。

3? 結? 論

在以五孔孔板為參考，在0.6MPa壓差下，通過三因素三水平正交試驗，得到了操作參數的最佳水平方案：空化時間60min、水介質初始溫度15℃、水樣放置時間10min，后續實驗均在該操作參數下進行。

1）隨著入口壓力的增加，流場的空化強度逐漸變強，溶液的電導率逐漸變大，溶解氧逐漸降低。

2）在改變孔板厚度條件下，壓差0.2MPa～0.9MPa內，孔板厚度厚度8mm孔板的電導率達到140.54μS/cm，空化效果最佳，壓差在0.9MPa～1MPa內，10mm孔板的電導率達到142.47μS/cm，空化效果最佳；

3）在改變孔板孔數條件下，壓差在0.2MPa～0.6MPa內，五孔孔板的電導率達到136.51μS/cm，空化效果最佳，壓差在0.6MPa～1MPa內，三孔孔板的電導率達到141.61 μS/cm，空化效果最佳；

4）在改變孔板孔型條件下，壓差在0.2MPa～1MPa內，孔型對孔板空化強度的影響微弱，整體圓形空化效果最好，方形次之，三角形最差。

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（編輯：溫澤宇）