第２４卷第３期　２０１０年６月　高校化学工程学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＣｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆＣｈｉｎｅｓｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ　Ｎｏ．３、ｒ０Ｊ．２４　Ｊｕｎｅ　２ＯｌＯ　

文章编号：１００３－９０１５（２０１０）０３・０４７６・０６　

圆球型声化学反应器内声场的数值模拟与实验研究　

王　亮　，　吕效平　，韩萍芳　，　陶立新　

（１．南京工业大学，化学化工学院，江苏南京２１０００９；　２．南京工业大学生物与制药工程学院，江苏南京２１０００９；３．瑞典热能工程研究所，斯德哥尔摩）　

摘要：利用计算流体动力学ＣＦＤ商业软件．ＦＬＵＥＮＴ，以多相流模型中的混合物模型（Ｍｉｘｔｕｒｅ）为基础，并耦合空化模　型，对自主开发研制的圆球型超声化学反应器内空化场进行了数值模拟。反应器内空化场为液态水和空化汽泡二相流　动问题，研究了空化模型参数的影响，对数值模拟的结果包括超声振动时的压力场、气含率场的分布进行了分析讨　论，并与声压测量实验及铝箔空蚀实验结果比较，实验数据和模拟结果基本吻合。空化模型中，不可压缩气体的质量　分数越大，水中Ｏ点处的气含率越高，压强波动幅度越小；水的饱和蒸汽压越高，Ｏ点处的气含量越大，且波动幅度　越大，但压强幅值变化程度越小。本项研究表明ＣＦＤ技术的应用对于超声声场分析具有重要的参考价值，对声化学反　应器设计理论的发展具有指导意义　关键词：计算流体动力学（ＣＦＤ）；声场：声化学反应器；数值模拟：空化　中图分类号：ＴＱ０２１．９　文献标识码：Ａ　

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　Ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　

Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　Ｓｏｎｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｒｅａｃｔｏｒ　

ＷＡＮＧ　Ｌｉａｎｇ　，ＬＯ　Ｘｉａｏ．ｐｉｎｇ　，ＨＡＮ　Ｐｉｎｇ－ｆａｎｇ　，ＴＡＯ　Ｌｉ－ｘｉｎ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００９，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００９，Ｃｈｉｎａ；３．ＴＰＳ　Ｔｅｒｍｉｓｋａ　ＰｒｏｅｅｓｓｅｒＡＢ，Ｓｔｏｃｋｈｏｌｍ，Ｓｗｅｄｅｎ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ＦＬＵＥＮＴ．ｔｈｅ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ａｌｌ　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｓｏｎｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｒｅａｃｔｏｒ　Ｗａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｉｓ　ａ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｏｆ　ｔｗｏ．ｐｈａｓｅ　ｆｕｉｄ　ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｃａｖｉｔａｔｉｎｇ　ｂｕｂｂｌｅｓ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｈｏｌｄｕｐ　ｆｉｅｌｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｕｌ仃ａｓｏｎｉｃ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｉｕｍ　ｆｏｉｌ　ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ．ａｎｄ　ｉｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｙ　ａｒｅ　ｂａｓｉｃａｌｌｙ　ｉｄｅｎｔｉｃａ１．Ｉｔ　ｗａｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈｅ　ｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ　ｇａｓ　ｍａｓｓ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｉｓ，ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ｈｏｌｄｕｐ　ａｔ　ｐｏｉｎｔ　０　ｃａｎ　ｂｅ，ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ｉＳ　ｓｍａｌｌｅｒ．Ｂｅｓｉｄｅｓ。ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｖａｐｏｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｓ　ｈｉｇｈｅｒ，ｔｈｅ　ｇａｓ　ｈｏｌｄｕｐ　ａｔ　ｐｏｉｎｔ　０　ｉｓ　ｈｉｇｈｅｒ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇａｓ　ｈｏｌｄｕｐ　ｉｓ　ｂｉｇｇｅｒ　ｔｏｏ，ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｉＳ　ｓｍａｌｌｅｒ．Ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＣＦＤ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉＳ　ａｖａｉｌａｂｌｅ　ｔｏ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｐｒｅｄｉｃｔ　ｔｈｅ　ｕｌ仃ａｓｏｕｎｄ　ｆｉｅｌｄ．ａｎｄ　ｉｔ　ｗｉＩｌ　ｂｅ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｒ　ｔｈｅ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆｔｈｅ　ｓｏｎｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｒｅａｃｔｏｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）：　ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　ｆｉｅｌｄ；　ｓｏｎｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｒｅａｃｔｏｒ；　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　

１前　言　

超声波的空化作用，有助于化学反应产量的提高和新反应产物的生成。从上世纪８Ｏ年代起，国外研　

究声化学反应，已经在工业过程中得到应用。我国近几年对声化学做了初步探索，其中声化学反应器的　

收稿日期：２００９－１０－１０；修订１３期：２００９－ｌ２－ｌ４。　作者简介：王亮（１９８３・），女，江苏南京人．南京工业大学硕士生。通讯联系人：吕效平，Ｅ－ｍａｒｌ：ｘｐｌｕ＠ｎｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃ

ｎ　第２４卷第３期　王亮等：圆球型声化学反应器内声场的数值模拟与实验研究４７７　

设计和研究【Ｊ．２】是关键因素之一。声化学反应器的设计与放大，首先需研究其声场的分布规律。声场的研　

究方法有实验和数值模拟两种方法。Ｍａｎｄｒｏｙａｎ［　】等人利用激光断层摄影技术拍摄了圆柱型声化学反应器　

中空化区。由于目前实验研究主要解决声场的定性问题，而声场参数的测定及定量研究较为困难，因此　

人们尝试运用如计算流体动力学法、有限元法、时域有限差分法等数值方法进行声场计算与模拟研　－－６１。　Ｓｅｒｖａｎｔ［４］等人用ＣＦＤ商业程序块模拟了圆柱型声化学反应器的压力场和空化泡气含率场，并用声压测量　

实验和铝箔空蚀实验验证。目前对圆球型声化学反应器的模拟很少，超声声场模拟仍不成熟，要达到实　

际应用需继续进行该方面的研发工作。本文以ＣＦＤ技术作为超声流场的理论分析基础，对圆球型声化学　

反应器，采用水为介质，通过计算流体动力学软件ＦＬＵＥＮＴ对声波周期内反应器压力场、气含率场变　

化进行模拟，并与铝箔空蚀实验和声压测量实验进行了比较，有助于了解超声空化现象，为优化和设计　

声化学反应器提供理论参考。　

２装　置　

实验自制了圆球型声化学反应器，超声频率　

２０　ｋＨｚ，超声发生器输出电压为２５０　Ｖ，总电功　

率１　ｋＷ，声化学反应器中心的水中声强约为１３．４　

Ｗ．ｃｍ～，反应器球壁厚２　ｍｍ，内径１０２　ｍｍ，上　

面开口内径５７　ｍｍ，下面连接的变幅杆顶端直径　

３０　ｍｍ。装置示意图如图ｌ。超声发生器产生超　

声电信号，通过换能器将电能转换成声能，由变　

幅杆将声能传递到反应器内。图中冷凝器用来冷　

凝超声过程中由于温度升高而产生的上升蒸汽。　

３数值方法与模型建立　

超声声波的传播实际上就是媒质内稠密和　

稀疏的交替过程，这样的变化过程可以用媒质内　

的压强、速度等变化量来描述，声压指的就是媒　

质体积元受到声扰动后压强的变化【７】。超声振动　

时的流体流动可以看作液气混合流，且考虑液态　

水与空化泡之间相互作用的影响。所以选用　ＦＬＵＥＮＴ中的混合二相流模型【８】，加入空化模型【。】　

以实现空化效果，并选用了标准ｋ－　湍流流动传　

输模型ｌ引。　

３．１建模与网格划分　

由于反应器相对于中心轴对称，因此将三维　

模型简化为二维轴对称面来处理，其模型的几何　

结构和边界条件如图２所示，设反应器的纵向中　图ｌ　圆球型声化学反应器装置　Ｆｉｇ　ｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　ｏｆｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｓｏｎｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｌ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　２．ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　３．ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｒｅａｃｔｏｒ　４．ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　ｐｉｐｅ　５．ｉｒｏｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔａｎｄ　６．ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ　７．ｄｉｇｉｔａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　

Ｏｕｔｌｅｔ　

Ｉｎｌｅｔ　图２模型的几何结构　Ｆｉｇ．２　Ｇｅｏｍｅｔｅｙ　ｏｆｍｏｄｅｌ　

轴线为Ｘ轴，反应器底部为Ｙ轴。根据反应器的具体尺寸，利用网格化软件Ｇａｍｂｉｔ建立模型并划分网　

格，用非结构化网格（Ｐａｖｅ）进行划分，总网格数为２２３１０。　

３．２边界条件和初始条件　

反应器底边为入１２边界，设为压力入口，入１２声压值为ｐ（ｔ）＝８８０＋ｌ５６ｏ００ｓｉｎ（１２５６ｏ０ｆ）（表压强），，为　

反应器运行时间，ｐ（力用ＵＤＦ编程输入。反应器顶端边为出口边界，设为压力出口，压力为０（表压）。　

设反应器曲形壁面设为壁面边界，近壁面条件采用Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｗａｌｌ　Ｆｕｎｃｔｉ

ｏｎｓ。为了简化计算，假设空　４７８　高校化学工程学报　２０１０年６月　

化泡为含饱和水蒸气与不可压缩气体（气核）的气泡，认为液态水和空化泡温度相等且恒定，ｔｌ＝ｔｖ＝２０＂Ｃ，　

对应的水饱和蒸汽压２３６７．８　Ｐａ（绝对压强），不可压缩气体的质量分数为１．５ｘｌＯ＿’：同时假设空泡从产生　

到溃灭的整个过程都保持为球形，半径为，Ｉｖ＝５　ｍ。假设反应器内流场是绝热的，没有热传导。　

３．３控制方程离散　本算例中控制方程的扩散项采用中心差分格式离散，压力插值方式采用ＰＲＥＳＴＯ！方式：动能、湍动　能和湍动耗散率离散格式采用计算稳定的Ｓｅｃｏｎｄ　Ｏｒｄｅｒ二阶迎风格式：蒸汽离散格式采用Ｑｕｉｃｋ格式；压　

力速度耦合采用ＰＩＳＯ算法。　

３．４非定常流场　因为超声空化流场为非定常流场，流场内部的压力，气含率等参数随时间而变化，所以空化区域也　

随时间而改变。为了准确模拟出流场变化，计算中采用小的时间步长（Ｔｉｍｅ　ｓｔｅｐ），设为２．５　ｐ．ｓ，为振动周　期ｆＯ．０５　ｍｓ）的二十分之一。　

４模拟结果及分析　

４．１流场分析与计算　在反应器底部附近取Ｏ点，进行监视便于观察流场的变化，该点垂直距离纵向中轴线和声入射边分　

别为２　ｍｍ，２　ｒａｍ（位置见图２）。图３，４分别模拟了平均压强和平均气含率随时间的变化图。图３中横　坐标的最大值为２００个Ｔｉｍｅ　ｓｔｅｐ，即为入口边界振动了１０个周期，Ｏ点处的压强呈类似正弦波波动，正　

压最大值为１３７１２８　Ｐａ，负压最大值为．５９４８１　Ｐａ。图４中含气量波动曲线与图４压强波动趋势相对应，最　大负压时气含率最大。由于液态水中原来含有不可压缩气体，所以初始含气量不为０。图中每个波动趋　

势相似但都有所差异，这是因为：流体存在不可压缩气体和水蒸气会影响波动；前面产生的压力波在曲　

形壁面与自由液面的反射，会影响后面产生的压力波动。　

图３　Ｏ点压强随时间变化曲线　Ｆｉｇｌ３　Ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｎ　ｐｏｉｎｔ　Ｏ　ｗｉｔｈ　ｔｉｍｅ　图４　Ｏ点气含率随时间变化曲线　Ｆｉｇ　４　Ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆｇａｓ　ｈｏｌｄｕｐ　Ｏｎ　ｐｏｉｎｔ　Ｏ、ⅣｉｔＩｌ　ｔｉｍｅ　

图５是迭代第ｌ６６～１７０步之间压力分布云图，入口边界上高压区的位置逐渐上升，并形成一个椭圆形　

区域，高压区位置继续上升同时该区的幅值逐渐变小，接着入口边界会生成新的负压区，然后再生成新　

的高压区，如此反复，以致形成密集正负压波动的锥形区域。作者发现越靠近底部的区域，压力波动幅　

度越大，越往液面靠近波动越不明显，这与声波在流体传播过程中衰减有关。　

４．２计算参数的影响及分析　４．２．１　空化模型参数（不可压缩气体的质量分数）的影响　

入口边界条件为ｐ（ｔ）＝８８０＋ｌ５６ｏ００ｓｉｎ（１２５６００ｆ）时，考虑到空化模型中的参数一不可压缩气体质量分数　

对模拟结果的影响，它随着季节气候、实验条件以及媒质本身等的改变而变化。图６中选取３组不同质　

量分数的不可压缩气体，不可压缩气体质量分数越大，Ｏ点处压强幅值越小，波动幅度也越小，空化强　

度较小。图７中不可压缩气体质量分数越大，气含率越大，但是波动幅度越来越小。由此可预见，随着　水中溶入不可压缩气体量的增加，空化强度变小，因此空化效应被削弱了。