工作流体对空化节流流动影响的数值研究

《Fuel》：Numerical investigation of the effect of working fluid on cavitating throttled flows

本文基于ANSYS Fluent开发了三维CFD空化流动模型，采用WALE大涡模拟和混合模型处理可压缩两相流，对比柴油、甲醇和乙醇在方形孔口中的空化特性。验证表明ZGB模型预测空化体积分数更优，甲醇和乙醇空化强度更高，导致流速增加3%-6.7%且质量流量降低3%。通过压力梯度、空化体积分数导数等侵蚀指标分析，揭示了不同燃料的空化侵蚀风险差异。

　　在当前的研究中，科学家们开发了一个三维计算流体力学（CFD）模型，用于模拟通过方形孔口的空化流动。该模型基于ANSYS Fluent软件平台，采用其可压缩求解器来考虑液体密度随压力变化的特性。同时，使用混合模型来模拟液态和气态的两相流动，以准确捕捉空化现象。为了更好地解析湍流的影响，研究团队选择了WALE大涡模拟（LES）模型，而空化质量传递则通过两种空化模型进行计算：Zwart–Gerber–Belamri（ZGB）模型和Schnerr–Sauer（SNS）模型。该研究的核心目标是评估不同工质（如柴油、甲醇和乙醇）在相同操作条件下对空化行为的影响，并进一步分析空化侵蚀风险。

在模型验证阶段，研究团队首先使用柴油燃料在高压条件下（入口压力为300 bar，出口压力为120 bar）进行模拟。结果表明，该模型在预测质量流量、通道内的速度分布以及中间平面的蒸汽体积分数方面与已发表的实验和数值数据表现出良好的一致性。具体而言，预测的质量流量与实验数据的偏差小于1%，速度分布的最大偏差出现在通道中心（y=1.5 mm）处，约为9.2%。此外，蒸汽体积分数的分布与参考数据高度吻合，显示出模型的可靠性。尽管在边界层重新附着点的位置和通道中间附近的速度分布上存在一些微小的差异，但总体而言，模型能够准确地再现空化过程的关键特征。因此，ZGB模型被选为本研究的参考空化模型，因为它在捕捉蒸汽体积分数分布方面表现出更优的性能。

随后，研究团队将模拟范围扩展至甲醇和乙醇，这两种替代燃料因其在减少二氧化碳排放方面的潜力而受到广泛关注。甲醇和乙醇作为可再生生物燃料，其使用逐渐增加，主要受到石油资源枯竭和全球排放标准日益严格的影响。这些燃料在某些特性上与柴油存在显著差异，例如蒸汽压力、密度和粘度等，这些因素都可能影响空化行为。研究结果显示，在相同操作条件下，甲醇和乙醇在通道内产生的蒸汽量比柴油更高，导致出口处的流速略有增加。例如，在x=0.5 mm和x=0.8 mm处，流速分别提高了4.3%和6.7%。同时，质量流量则减少了约3%。这一现象表明，甲醇和乙醇的物理性质对空化行为具有重要影响，尤其是在蒸汽生成和流动特性方面。

为了进一步评估空化侵蚀的风险，研究团队选择了几种关键的侵蚀风险指标（ERIs），基于压力和蒸汽体积分数等参数的导数进行分析。这些指标用于识别通道内最易发生空化侵蚀的区域。通过计算这些指标，研究团队能够更准确地预测空化侵蚀的发生位置和强度，从而为相关设备的设计和优化提供理论依据。研究发现，甲醇和乙醇在某些操作条件下比柴油更容易引发空化，这可能与其较高的蒸汽压力和较低的粘度有关。此外，空化侵蚀风险的分布与流体的流动特性密切相关，尤其是在通道入口和出口附近，以及空化云团的形成区域。

研究团队还回顾了以往关于微通道空化现象的相关文献，发现大多数研究集中在水或柴油等传统工质上，而对甲醇和乙醇的空化行为研究较少。例如，Morozov等人通过实验和数值模拟研究了柴油在节流流动中的空化现象，利用先进的光学诊断技术（如激光诱导荧光和干涉测量）获得了高精度的速度和压力场数据。他们发现，空化主要在剪切层中发生，并随后扩散到低压区域。这些实验数据被用于验证多个CFD代码，包括Cristofaro等人开发的代码以及当前研究使用的模型。Mauger等人则通过阴影图和Schlieren技术结合干涉成像，研究了油在准二维微通道中的空化动态，进一步证实了空化在剪切层中发生的特点。Ebrahimi等人研究了常压下不同工况下水通过厚孔板的高压力流动，发现传统的单维模型在预测空化起始和排放系数方面存在不足，并提出了新的理论修正。Chen等人研究了低注入压力下甲醇和乙醇在微孔喷嘴中的空化和喷雾特性，发现水比航空煤油更容易产生空化，且喷嘴几何形状对空化模式和排放系数有显著影响。

在数值研究方面，Edelbauer等人首次在矩形微尺度节流装置中使用柴油燃料进行了大涡模拟（LES），揭示了LES在捕捉流动细节方面的优势，例如层流到湍流的过渡和剪切层中的相变。Egerer等人结合热力学平衡空化模型和自适应局部去卷积方法（ALDM）进行了LES模拟，进一步验证了空化在喷嘴中的动态行为。Cristofaro等人使用完全可压缩的多流体LES求解器在CFD代码AVL FIRE中模拟了柴油喷嘴节流流动，分析了柴油粘度变化对空化模式、蒸汽腔分布和侵蚀风险的影响。他们发现，低粘度柴油能够促进更长的蒸汽结构和更稳定的流动，而中等粘度柴油（Re≈18,000）则与不稳定的蒸汽脱落和强烈的压力峰值相关，导致最高的侵蚀风险。Jin等人在ANSYS Fluent中使用SST k-ω湍流模型和ZGB空化模型，研究了不同压力差和孔口长度与直径比（l/d）下的矩形微孔空化现象，发现压力比和l/d对空化起始和蒸汽腔发展有显著影响。Nezamirad等人在RANS框架下应用了Schnerr–Sauer空化模型，模拟了柴油喷嘴中的空化流动，并与实验数据进行了对比，发现k-ε模型在预测质量流量和速度分布方面与实验数据最为一致。Li等人比较了五种湍流模型（RNG k-ε、Realizable k-ε、SST k-ω、DES和LES）在模拟微通道空化时的性能，发现LES在预测空化结构和出口流动方面最为准确，而RNG k-ε模型在匹配实验压力梯度和速度分布方面表现最佳。

尽管已有大量关于水和柴油在微通道中空化行为的研究，但对甲醇和乙醇的空化特性研究仍较为有限。例如，Duke等人使用OpenFOAM软件对直径为500 mm的淹没喷嘴进行了三维空化流动模拟，研究了不同汽油-乙醇混合比例（从E0到E85）对空化行为的影响。他们的结果表明，甲醇和乙醇的加入对喷嘴内的蒸汽分布影响较小，但对出口处的蒸汽质量通量有显著影响，其中E40混合比例下的蒸汽质量通量达到峰值。Santos等人在ANSYS Fluent中对一个五孔汽油直接喷射（GDi）喷嘴进行了CFD模拟，使用E100作为燃料，评估了三种空化侵蚀指标，并发现累积侵蚀功率与实验耐久性测试数据具有最佳相关性。Yu等人对椭圆形GDi喷嘴进行了数值和实验研究，使用CFD模拟内部流动，并通过高速阴影图技术测量喷雾特性。他们的结果表明，乙醇在空化强度方面比汽油更低，但质量流量更高，而汽油则在喷嘴出口处具有更高的流速。

在甲醇的研究方面，Chen等人对甲醇喷嘴的内部流动进行了三维模拟，并结合实验研究测量了喷雾特性。他们的结果表明，随着甲醇温度和注入压力的增加，喷嘴孔口内的空化区域会扩大，而超空化发生时的温度则会降低。Zhang等人研究了水-甲醇混合物（最高含甲醇20%）在文丘里管中的空化流动，发现甲醇的存在能够促进空化区域的扩展，但同时会减弱空化气泡的动力学行为。Yang等人则在微通道中对甲醇和柴油进行了实验研究，观察到在高空化数条件下，甲醇的排放系数高于柴油，而在低空化数条件下，甲醇的排放系数则低于柴油，这可能与其较高的空化强度有关。

综上所述，本研究通过开发和验证一个三维CFD模型，系统地分析了柴油、甲醇和乙醇在相同操作条件下对空化行为的影响。研究结果表明，甲醇和乙醇在某些方面比柴油表现出不同的空化特性，例如更高的蒸汽生成量和更低的粘度，这可能影响空化云团的形成和流动稳定性。此外，空化侵蚀风险的分布与流体的物理性质密切相关，尤其是在剪切层和空化云团的边界区域。通过比较不同工质的空化行为，研究团队为替代燃料在微通道和喷嘴中的应用提供了重要的理论支持，并为未来的研究方向提供了参考。

本研究的结构分为几个主要部分。首先，介绍了研究的背景和意义，说明了空化现象在微通道和方形孔口中的重要性，以及其在工程和生物医学领域的广泛应用。接着，回顾了相关文献，指出当前关于甲醇和乙醇空化行为的研究仍较为有限，而柴油、水等传统工质的研究已经较为成熟。随后，详细描述了数值模型的构建过程，包括使用的软件平台、求解器类型、湍流模型以及空化模型的选择。研究团队采用ANSYS Fluent v2022进行三维模拟，使用可压缩压力求解器和混合模型来捕捉两相流动的特性，并结合WALE LES湍流模型和两种空化模型（ZGB和SNS）进行更精确的模拟。模型验证部分通过与柴油实验数据的对比，证明了其在预测质量流量、速度分布和蒸汽体积分数方面的准确性。

在模拟结果分析部分，研究团队展示了不同工质下的空化流动模式，并通过可视化手段（如VOF等值面）分析了空化云团的形成和演变过程。他们发现，柴油在空化云团中的蒸汽流速较高，这可能与其较高的粘度和较低的蒸汽压力有关。而甲醇和乙醇由于粘度较低，蒸汽生成量更大，导致空化云团的扩展范围更广，同时出口处的流速也有所增加。此外，研究团队还评估了空化侵蚀风险指标，识别出最易发生侵蚀的区域，并为相关设备的设计和优化提供了理论依据。

最后，在结论部分，研究团队总结了本研究的主要发现，并指出其在空化现象研究中的创新之处。他们强调，本研究首次系统地比较了柴油、甲醇和乙醇在微通道中的空化行为，填补了该领域在替代燃料方面的研究空白。同时，研究结果表明，甲醇和乙醇的物理性质对空化行为具有重要影响，尤其是在蒸汽生成和流动稳定性方面。这些发现对于开发新型替代燃料、优化喷嘴设计以及减少空化侵蚀风险具有重要的指导意义。此外，研究团队还讨论了未来研究的方向，例如进一步探索不同工质在更复杂几何结构中的空化行为，以及结合实验数据改进CFD模型的预测能力。

本研究的成果不仅有助于理解空化现象在微通道中的发生机制，还为相关工程应用提供了重要的理论支持。通过分析不同工质的空化特性，研究团队揭示了空化行为与流体物理性质之间的关系，这对于提高设备的可靠性和延长使用寿命具有重要意义。同时，本研究也为未来的研究提供了参考，尤其是在探索替代燃料在微通道和喷嘴中的应用方面。随着全球对可持续能源和环境保护的重视，甲醇和乙醇作为替代燃料的潜力日益凸显，因此，进一步研究其在空化现象中的表现，对于推动相关技术的发展具有重要的现实意义。