低温流体经过弯管时的空化现象分析

　　1 引 言

　　弯曲管道广泛地应用于压缩机、泵等机械设备上,以及各种类型的热交换器、甚至核动力的管道系统中,实现流体输运以及热量、能量的交换^[1]。流体流经弯曲管道时,由于管内流线的显著弯曲,沿断面有较大的惯性力(离心力)作用^[2],加上弯管外壁对流体的压迫作用,使得流体的速度、压力发生很大变化,在弯曲管段部分沿离心力方向流速减小而压力增加,即弯管内侧流体压力低于外侧流体压力。弯管断面压力的不均匀分布,会导致弯管内侧形成分离区,产生涡漩,甚至在横断面上产生二次流^[3]。因而当低温流体流经弯管时,由于弯管内侧流体压力低于外侧,在来流速度升高等情况下弯管内侧压力极易降低到空化核不稳定的临界压力(也称为不产生空化流动时的最小压力),即产生空化现象。

　　空化是由于液体中的局部压力低于相应温度下该液体的饱和蒸汽压力,致使液体汽化而引起的微气泡爆发性生长和溃灭现象^[4]。空化的产生使得流体的流动形态由单相流动过渡到两相流动,从而破坏了液体宏观上的连续性。液流挟带着气泡流经下游压力较高的区域时,气泡将发生溃灭。由于空化过程中不仅有气液两相间的质量传输,还有两相湍流现象,流动特性非常复杂,国内外大量学者对其进行了研究,但研究内容主要集中在常温领域。空化流动的数值研究方面,计算模型由早期的基于势流理论,发展到当前的基于N-S方程的界面追踪方法和均质平衡流模型^[5-6]。界面追踪法假定气相和液相之间有明显的分界面^[7],且空化区域的压力恒等于饱和蒸气压力,因而计算仅针对液相进行。这种方法通常用于模拟附着空化^[8-9]。均质平衡流模型把两相空化流当成一种流体来处理,这一种方法中各种模型的区别在于的密度场的定义不同[5]。通过这种方法得到的流动参数都是平均意义上的,因而不能反映相变的详细过程和相变量,但是它能很容易的模拟空化的产生和消失。本文中采用的完全空化模型即属于这种类型。

　　空化产生的气泡溃灭若发生于壁面附近,不断溃灭的气泡将产生极高压强并反复作用于壁面,出现空蚀现象,使壁面损坏。弯管壁面受到气泡不断溃灭产生的极高压强的反复作用,易产生空蚀破坏,且气泡溃灭过程中常伴有噪音和振动,严重危害到弯管的使用寿命和工作效率,也影响流量测量的精度。因而对低温流体在弯管内流动时的空化现象进行数值研究,对弯管的设计和操作具有参考意义。

　　2 数学模型与计算策略

　　2.1 连续方程和动量方程

　　其中:Ρ是混合物密度,vy是质量平均速度,L是混合物的粘性系数,分别定义为: