球形颗粒附近空化泡的动力学分析

摘要

【目的】空化是一种自然界存在的物理现象，空化的产生出现在多个领域，包括材料学、地质学和生物学等。早期空化研究是为了避免其带来的不利影响，比如细胞功能下降、岩石破裂、水力机械的材料空蚀损坏和动力性能恶化等。然而人们逐渐发现空化在多个领域中具有积极应用，比如强化材料、促进化学反应合成、去除难降解有机污染物等。研究空化泡在近壁面附近的溃灭过程，可以更好地了解空化泡溃灭对壁面的作用机制，从而在多领域应用中更好地利用空化效应。壁面包括凹面、凸面、锥面、不规则面等，球形颗粒表面属于凸面的一种。采用空化技术处理含油污泥，可以显著提高回油率，实现油泥资源化处理。空化破解油泥的机理是空化泡在油泥颗粒表面溃灭时，产生高温高压及高速射流，有利于油与固体颗粒的分离，实现油的回收再利用。【方法】研究球形颗粒附近空化泡溃灭的动力学行为，探究空化泡溃灭的演化过程，进而分析颗粒与空化泡之间的距离和颗粒尺寸对颗粒-空化泡相互作用的影响机制。利用质量、动量和能量守恒原理描述空化泡动力学行为，采用流体体积法对泡壁拓扑结构的变化进行精确界面捕捉，利用ANSYS软件数值模拟了空化泡在球形颗粒附近的溃灭过程。【结果】空化泡在球形颗粒附近随着时间变化逐渐发生溃灭，其溃灭形态受到距离参数和尺寸参数的影响。空化泡坍塌瞬间会形成指向颗粒的微射流与高温高压极端环境。【结论】当球形颗粒距离空化泡距离较近时，空化泡呈现梨形坍塌；当距离较远时，空化泡呈现球形坍塌。当距离参数减小或颗粒尺寸增大时，球形颗粒边壁受到的最大压力增大；当距离参数减小或尺寸参数减小时，空化泡形成的最大射流速度增大，颗粒边壁处最大温度增大。较大尺寸颗粒附近空化泡溃灭时间更长，且受距离参数影响较大。空化泡距离越远，溃灭时间越长。

关键词

空化 / 空化泡 / 球形颗粒 / 流体体积法 / 动力学 / 数值模拟 / 射流速度 / 溃灭时间

基金资助

国家自然科学基金项目(51904123)