选择性激光熔化辅助文丘里型喷嘴在加压溶解微气泡发生器中的应用研究

为解决加压溶解技术中微气泡生成效率低的问题，研究人员采用选择性激光熔化(SLM)技术在文丘里型喷嘴的分布板上构建不锈钢316L结构，通过优化几何设计显著提升了微气泡的生成数量(最高达70,490个)并减小了平均尺寸(31.82 μm)。CFD模拟揭示了SLM结构通过诱导湍流涡旋产生低压区，从而促进空化效应生成微气泡的机制，为工业应用提供了高效解决方案。

　　

微气泡技术因其独特的物理化学性质，在污水处理、农业灌溉、医疗消毒等领域展现出巨大潜力。然而，传统加压溶解技术存在能耗高、气泡尺寸不均等问题，制约了其大规模应用。文丘里型喷嘴虽结构简单，但微气泡生成效率有限；而旋流型喷嘴又因结构复杂难以推广。如何通过创新设计突破这一技术瓶颈，成为研究者们关注的焦点。

韩国研究团队Minhoo Chung、Dae-Won Cho等人在《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》发表论文，提出将金属3D打印技术——选择性激光熔化(SLM)应用于文丘里喷嘴改造。他们采用不锈钢316L粉末，通过优化激光功率(120 W)、扫描速度(100 mm/s)等参数，在分布板上构建了五种不同几何形状的SLM结构。结合计算流体动力学(CFD)模拟和粒子形态分析仪，系统研究了结构设计对微气泡生成的影响机制。

SLM结构设计与制备

研究团队设计了五种SLM结构：SLM1-SLM3侧重侧壁角度变化(8.2°-16.2°)，SLM4-SLM5则增大了分布板中心空置区域(半径4 mm)。通过定制化粉末床熔融设备，以333 J/mm³的能量密度实现98.49%致密度的结构成型。XRD分析确认SLM加工未改变材料的奥氏体相，保证了耐腐蚀性。

微气泡性能突破

对比无SLM结构的Plain喷嘴，SLM5表现出最优性能：

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  生成数量提升83.8%至70,490个

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  平均尺寸减小至31.82 μm

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  21-30 μm区间气泡占比显著增加

  长期测试显示，使用1000小时后SLM5仍保持88.2%的初始性能，优于SLM1的68.6%。

流体动力学机制解析

CFD模拟揭示了关键现象：

1. 1.

   涡旋强度：SLM5在结构边缘维持9,240 K/s的高涡旋强度，是Plain喷嘴的2.3倍

2. 2.

   压力分布：SLM结构前后形成0.32 MPa压差，触发空化效应

3. 3.

   流场优化：中心4 mm空置区使水流速度提升40%，增强后续涡旋发展

技术意义与展望

该研究首次将金属SLM技术与文丘里喷嘴设计相结合，通过精准控制微观结构实现：

1. 1.

   工业级微气泡生产效率突破

2. 2.

   能耗降低的可持续解决方案

3. 3.

   为医疗靶向给药、半导体清洗等新应用铺路

   研究团队指出，未来可通过拓扑优化进一步降低结构侵蚀，并探索钛合金等生物兼容材料的SLM加工潜力。

这项创新不仅推动了微气泡发生器的小型化、智能化发展，更为增材制造在流体设备领域的应用开辟了新途径。正如作者Changkyoo Park强调的："SLM结构的几何自由度让我们能够像'雕刻水流'一样精准控制空化效应，这是传统机加工无法实现的突破。"