文丘里管式微气泡发生器内单气泡碎化行为的数值模拟

丁国栋^1,2，陈家庆¹，蔡小垒¹，叶帆³，李振林²，姬宜朋¹，郭靖³

（¹北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617；²中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249；³中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

1.摘要

　　采用ANSYS FLUENT中的VoF多相流模型，研究了单个气泡在三维文丘里流场中的变形及破碎行为，揭示文丘里流道尤其是扩张段内的流场分布和气泡碎化过程，并对文丘里管式微气泡发生器成泡粒径分布不均匀原因进行分析和讨论。

2.图表摘要

图1  文丘里流道的简化结构示意图

图2  文丘里流道三维模型及网格图

表1  网格无关性验证结果

图3  实验流程示意图

表2　实体模型测试验证结果

图4  气泡碎化过程云图

图5  不同轴向初始位置注入时的气泡变形及破碎瞬态图

图6  扩张段径向速度分布图

图7  初始气泡位于边壁区域时的变形及破碎瞬态图

图8  扩张段横截面处的湍流参量

图9  不同水流流速时湍能耗散率分布

图10  不同张角时的湍流耗散率和标准差

图11  不同导流叶片出口角时的湍流耗散率

3.主要结论

（1）破碎现象主要发生在文丘里管式微气泡发生器的扩张段，且随着湍能流耗散率的增加，破碎后的气泡粒径减小。

（2）单个气泡的破碎过程与注入气泡的轴向和径向位置有关，注入点靠近壁面或注水管处时，气泡在扩张段的破碎程度增大。

（3）进水管内设置轴向静止起旋元件能够提高扩张段的平均湍流耗散率，降低生成微气泡的平均粒径，提高生成微气泡的粒径均匀程度。