通过选择性激光熔化技术在文丘里型喷嘴中实现新颖设计，以增强微气泡的产生 作者：Minhoo Chung 和 Changkyoo Park

《Micromachines》：Novel Design in Venturi-Type Nozzle by Selective Laser Melting for Enhancement in Microbubble Generation Minhoo Chung and Changkyoo Park

　　摘要：本研究采用选择性激光熔化（SLM）技术在加压溶解微气泡发生器的文丘里型喷嘴分配板上制备了316L不锈钢（SS316L）结构。选择SLM技术是因为所制备的结构尺寸大约为数百微米，使用传统的铣削或其他机械加工方法难以实现。这些结构的目的是增强空化效应和气液相互作用，从而提高微气泡的生成效率。通过测试不同的SLM工艺参数，最终确定140瓦激光功率、100毫米/秒扫描速度、30微米层厚度和120微米搭接距离的组合为最佳参数，该参数组合在保持SS316L奥氏体相的同时实现了最高的相对密度。在不同溶解罐压力条件（0.20、0.25和0.30 MPa）下，分别使用带有SLM结构和不带有SLM结构的喷嘴进行了微气泡生成测试。两种喷嘴生成的微气泡尺寸均在1至110微米之间，符合微气泡的尺寸要求。SLM辅助喷嘴生成的微气泡平均尺寸为31.8微米，而普通喷嘴为38.8微米。此外，在0.30 MPa压力下持续30秒时，SLM辅助喷嘴生成的微气泡数量最多，达到25,907个的102.1%。这些结果表明，在文丘里型喷嘴中引入SLM结构能够有效提升微气泡的生成效果，为水处理、生物医学过程和化学工程领域提供了前景广阔的应用潜力。

1. 引言
增材制造（AM），通常称为3D打印，是一种逐层构建的技术，通过依次沉积粉末材料来制造三维结构。与传统制造方法（如减材加工或铸造）相比，AM能够制造出使用传统技术难以实现的复杂几何形状和结构。因此，作为第四次工业革命的关键制造技术，AM受到了广泛关注[1,2]。尽管AM技术已经发展了二十多年，但其早期应用受到材料限制和打印技术成熟度不足的制约，主要应用于产品开发初期的多孔结构或快速原型制作[3]。然而，随着材料和工艺控制的不断进步，增材制造部件的密度和机械性能得到了显著提升。如今，AM已广泛应用于医疗设备、航空发动机部件[4,5]和汽车零部件[6]等各个行业。AM技术可以直接根据用户定义的CAD数据制造结构，具有较高的设计灵活性，并能够生产小型和几何形状复杂的部件[7,8]。在选择性激光熔化（SLM）等多种AM技术中，SLM是一种能够高精度制造复杂金属部件的代表性粉末床熔融工艺。凭借这些优势，SLM在多个工业领域获得了广泛关注[9]。

微气泡是指直径小于100微米的气泡，具有较大的比表面积[10]。由于其浮力较小，微气泡在液体中上升速度较慢。此外，微气泡的气液界面带有负电荷，能够吸附细小颗粒。微气泡的破裂还会产生自由基，有助于其杀菌效果[11]。由于这些特性，微气泡技术最近在农业、废水处理、食品加工、医疗应用和半导体制造等领域受到了越来越多的关注。目前，关于微气泡的功能特性及其生成技术的研究也非常活跃[12,13]。提高微气泡去除污染物的效率成为研究热点之一[14]。微气泡的高效去污能力可以提升废水处理过程的能源效率，并改善水质，从而促进植物生长和农业生产[15]。

微气泡发生器根据工作原理可分为溶解空气浮选[16]、静态混合器[17]、旋转液流[18]和基于喷嘴的系统[19,20]等多种类型。除了基于喷嘴的系统外，大多数系统都需要先产生空气和水的两相流才能实现气泡破碎。然而，这一过程会导致较大的流动阻力，从而增加能量损失。此外，通常需要旋转机械部件来破碎气泡，导致结构复杂且维护要求较高[16,21]。相比之下，基于喷嘴的系统可以根据喷嘴几何形状产生低于大气压的静态压力，使空气自动混入液体流中。文丘里型喷嘴因其压力降较小和能耗较低而得到广泛应用。不过，传统文丘里喷嘴在生成高密度微气泡方面存在局限，因为它们无法充分破碎空气泡[22]。此外，与传统微气泡生成方法相比，文丘里喷嘴产生的气泡尺寸较大（约几百微米），因此需要额外的设计策略来增加微气泡数量和减小气泡尺寸[23,24,25]。

典型的文丘里喷嘴包括一个截面面积先减小后扩大的喉部区域。当流体通过狭窄的喉部时，压力降低，有利于微气泡的生成。最近，基于冲击射流的替代方法因能提升气泡生成效果而受到关注。冲击射流系统由连接到文丘里型喷嘴的分配板和从喷嘴喷出的液体射流组成，两者碰撞会产生高湍流强度区域。这种机制可以在保持高能源效率的同时有效减小气泡尺寸[26]。Zhu等人通过实验和数值分析研究了这种冲击射流系统中的气泡生长和脱离机制[27]。然而，生成的微气泡数量仍然较少，且分布距离有限。为了最大化文丘里喷嘴中的微气泡生成数量，本研究提出了一种结合分配板和SLM制造结构的混合策略。首先确定最佳SLM工艺参数，然后利用该参数在分配板上制造亚毫米级的SLM结构。当流体从喷嘴流出并与分配板和SLM制造的结构碰撞时，会增强涡流生成。SLM结构在流体中局部产生低压区域，促进空化作用，从而有利于微气泡的形成。实验比较了引入SLM结构前后文丘里喷嘴的微气泡生成效果，并进行了计算流体动力学（CFD）模拟以阐明微气泡生成机制。

2. 实验装置
2.1. 用于微气泡生成的文丘里型喷嘴
文丘里喷嘴中的微气泡生成机制遵循伯努利原理和亨利定律。当水被泵加压时，其压力值增加。根据亨利定律，气体在液体中的溶解度与其分压成正比，高压力下水中的氧气溶解度增大[28]。加压水流经文丘里喷嘴时，流速增加而气体压力降低[29]。这一关系符合亨利定律和伯努利原理（见方程式（1）和（2）：
(1) C表示给定温度下气体在溶剂中的溶解度，H是亨利定律常数，Pg表示气体的分压。当液体减压时，溶解气体的溶解度降低，导致气体分子从液相中释放[28]。
(2) 在伯努利方程中，P表示液体的静压，ρ是流体密度，v是流速，g是重力加速度，h是流体高度。当溶解在水中的氧气通过文丘里喷嘴（具有缩小的截面面积，即喉部）并迅速减压至大气压时，流速增加而静压降低。这种压力降低会引发空化作用，形成气泡。当流体流出喷嘴并迅速减压至大气压时，溶解的氧气以气泡形式释放。此时形成细小的微气泡，如图1a所示[30]。
图1. 不同类型的微气泡生成喷嘴：(a) 带有分配板的文丘里型喷嘴；(b) 带有分配板和SLM结构的文丘里型喷嘴。本研究设计了在最大流量条件下（30 L/min）生成微气泡的定制文丘里型喷嘴。图1a显示了定制文丘里喷嘴的微气泡生成机制和示意图。喷嘴总长度为32毫米，入口尺寸为11（D）× 19（L）毫米2，喉部尺寸逐渐减小至3（D）× 4（L）毫米2，此处通过空化作用生成微气泡。空化是指当液体静压低于其蒸汽压时形成微小气泡的现象[31]。图1a中的定制文丘里喷嘴带有分配板，分配板位于喷嘴下方，喉部中心与分配板中心精确对齐。文丘里部通过空化作用生成的气泡垂直于液体射流方向排出。液体射流与分配板碰撞后，流动方向从垂直变为径向，使微气泡径向分散到周围区域，从而实现更均匀的微气泡分布。此外，液体射流与分配板的碰撞产生了强湍流，促进了微气泡的破碎，减小了气泡尺寸[26,27]。
图1b展示了带有分配板和SLM制造结构的文丘里喷嘴。使用选择性激光熔化（SLM）技术在分配板上制造了毫米级结构，旨在增强分配板处的湍流和涡度。SLM结构在周围区域诱导湍流涡旋，持续改变液体静压。当局部静压降至液体蒸汽压以下时会发生空化作用，形成微气泡[32,33]。换句话说，通过分配板上的SLM结构周围的涡流空化可以生成更多微气泡。因此，这种带有SLM结构的文丘里喷嘴通过喉部空化和分配板处涡流诱导的空化共同作用增强了微气泡的生成效果。

2.2. 选择性激光熔化实验装置
表1列出了本研究中使用的球形SS316L（不锈钢316L）粉末的化学成分。图2显示了用于SLM工艺的SS316L粉末的形态和粒径分布，平均粒径为19.35微米。图3显示了在文丘里喷嘴的 Distribution 板上利用 SLM（选择性激光烧结）技术制造的结构。该结构是通过 SLM 工艺制造的，使用了一台中心波长为 1080 nm 的 330 W 连续波光纤激光器作为能源。激光束的直径为 200 μm，具有高斯能量分布，光束质量因子（M2）为 1.3。激光束通过双轴电流镜扫描仪在 SS316L 粉末床上进行扫描。制造腔体的尺寸为 250 (W) × 250 (L) × 100 (H) mm3，腔体内充满纯度为 99.99% 的氩气，以在制造过程中防止氧化。为了优化 SLM 工艺参数，通过改变激光功率和扫描速度，设置了六种不同的 SLM 工艺条件。评估了每种条件下的 SLM 结构的密度和孔隙率，并选择了最优的工艺条件用于微气泡生成测试。详细的 SLM 工艺参数列在表 2 中。所有条件下使用的 SLM 结构尺寸均为 2 × 2 × 5 mm3，层厚为 30 μm，排版间距为 120 μm。体积激光能量密度根据公式 (3) 计算得出，其中 E 代表体积激光能量密度（J/mm3），P 代表激光功率（W），H 代表排版间距（mm），V 代表扫描速度（mm/s），T 代表层厚（mm）[34]。

图 3. 文丘里型喷嘴的示意图及 Distribution 板的图像：(a) 无 SLM 结构的普通分布板；(b) 带有 SLM 结构的 SLM 分布板。

表 2. SLM 制造的 SS316 样品的实验条件及测量密度。为了减少制造过程中的各向异性，激光扫描方向在每层都会旋转 90°。SLM 结构是在不锈钢 316L 基板上制造的，该基板也被用作文丘里喷嘴的 Distribution 板。

图 3a 显示了没有 SLM 结构的文丘里喷嘴的示意图和实际图像，称为普通喷嘴。图 3b 展示了带有 SLM 结构的文丘里喷嘴的示意图和实际图像，称为 SLM 喷嘴。Distribution 板的直径为 16.6 mm，其翼部与文丘里喷嘴焊接在一起，确保喷嘴中心和 Distribution 板之间的精确对齐。在 SLM 喷嘴中，亚毫米级的 SLM 结构直接在 Distribution 板上制造，每个结构包含三层，宽度和高度均为 1 mm。第一层结构位于 Distribution 板中心距离 4 mm 处。第一、第二和第三层结构的长度分别为 1.04 mm、1.44 mm 和 1.85 mm。此外，侧壁以 7.5° 的角度从结构中心向外扩展。这些 SLM 结构的设计目的是增强 Distribution 板处的涡流生成，并研究其对微气泡形成的影响。

2.3. 密度测量与微观结构表征
SLM 结构的密度通过阿基米德法 [35] 进行测量。每个样品测量五次，取平均值。在微观结构表征之前，使用 SiC 研磨纸（粒度：200–2000）对 SLM 结构进行抛光。为了进行定性相分析，对 SS316L 粉末和 SLM 结构进行了 X 射线衍射（XRD）测量。此外，还使用光学显微镜（OM；Eclipse LV150N，尼康公司，日本东京）和扫描电子显微镜（SEM；EVO10，卡尔蔡司显微镜有限公司，德国奥伯科亨）对 SLM 结构的孔隙率和微观结构进行了观察。

2.4. 微气泡生成测试
图 4 展示了本研究中使用的加压溶解型微气泡生成系统的实验装置。水和空气分别作为液相和气相。水从 588 L 的水箱（尺寸：1200 (L) × 700 (W) × 700 (H) mm3）中通过泵输送，流量由流量计和压力表控制。图 5 描述了微气泡生成和观察系统的示意图，以及用于分析微气泡形成的动态图像分析方法。空气通过文丘里型管输送，气流速率范围为 100 至 700 cc/min。为了将空气溶解到水中，使用了旋流式混合器和一个保持 0.2–0.3 MPa 压力的空气溶解罐。通过控制阀将流经溶解罐的液体分成两股：一股直接排入水箱，另一股返回泵中。这种配置允许部分加压溶解水被重新利用，从而提高溶解罐中的气体饱和度，促进微气泡的形成。通过调节旁通阀，可以控制旁通流量和溶解罐内的最终压力。空气饱和水以 30 L/min 的流量通过文丘里喷嘴重新输送到水箱中。在文丘里喷嘴中，通过空化现象生成微气泡。使用颗粒图像分析仪（QICPIC，Sympatec，德国克劳斯塔尔-泽勒费尔德）测量微气泡的数量和大小分布，检测范围为 0.55 μm 到 33,792 μm（具有七个重叠光学模块）。分析仪连接在水箱上，每次测量取样 150 mL 的水。在 30 秒内分析了微气泡的数量和大小，测量系统以每秒 25 帧的帧率捕获 2 (W) × 2 (L) × 0.2 (D) mm3 的图像。实验过程中，水温保持在 23 ± 1 °C。对于普通喷嘴和 SLM 喷嘴，分别在七种不同的气流速率（100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 cc/min）和三种不同的溶解罐压力（0.2, 0.25, 0.3 MPa）下重复进行微气泡生成测试。分析使用了三次重复测量的平均值。

2.5. 计算流体动力学模拟
为了阐明 SLM 结构辅助喷嘴中微气泡生成的机制，进行了 CFD（计算流体动力学）模拟。使用商业 CFD 软件包 ANSYS Fluent 2023 R2（Ansys Inc.，美国卡诺斯堡）进行模拟。分析基于质量守恒方程（公式 (4)）和动量守恒方程（公式 (5)）。[4]
描述湍流条件下的流动行为的 k-ε 流动模型（公式 (6)）也被采用。[6]
数值模拟中使用的术语列在表 3 中。CFD 计算域限制在 Distribution 板的六分之一范围内。入口条件设置为 30 L/min、温度 295 K，底部边界定义为墙面，顶部和后部边界定义为压力出口（0 atm）。使用不可压缩水作为工作流体，在稳态条件下进行了 1000 次迭代。

表 3. CFD 缩放中使用的术语。

3. 结果与讨论
3.1. 微观结构
为了优化 SLM 工艺参数，评估了六种不同的 SLM 工艺条件。对每种条件都进行了密度测量，并根据密度分析结果确定了最优的 SLM 工艺参数。激光功率为 140 W、扫描速度为 100 mm/s 的 SLM 工艺被认为是最优参数，用于制造微气泡生成喷嘴的 SLM 结构。在这种条件下，获得了最高的相对密度 97.76%，但由于 SLM 结构的制造尺寸较小，可能会出现相对较低的密度值 [36]。详细结果总结在表 2 中。
图 6 显示了使用最优 SLM 工艺制造的 SS316L SLM 结构的顶视图 SEM 图像。在 SLM 结构的微观结构中观察到了几微米到几十微米不等的孔隙。由于这些孔隙的存在，SLM 制造的 SS316L 的密度相对于传统 SS316L 为 97.76%。黄色框内的高倍率 SEM 图像揭示了微观结构中的亚晶粒结构。这种结构归因于快速凝固和马兰戈尼效应（Marangoni effect），即由熔池内的表面张力梯度引起的流体流动。这些微观结构特征受到 SLM 过程中熔池内温度梯度和凝固速率的影响 [37,38,39,40]。
图 7 展示了 SS316L 粉末和 SLM 制造的 SS316L 样品的 XRD 分析结果。在 SS316L 粉末和 SLM SS316L 结构之间未观察到相变。所有衍射峰都对应于奥氏体相，表明 SLM 工艺没有显著影响 SS316L 的相稳定性 [41]。
图 6. 通过 SLM 工艺制造的 SS316L 结构的低倍率和高倍率 SEM 图像。
图 7. SS316L 粉末和 SLM 结构的 XRD 图谱。

3.2. 微气泡生成测试
空气通过文丘里型管以 100 至 700 cc/min 的速率引入，如图 8 所示，在 0.3 MPa 的加压溶解罐压力条件下测量生成的微气泡数量。生成的微气泡数量受气流速率的强烈影响。对于普通喷嘴和 SLM 喷嘴，在 100 cc/min 的气流速率下获得了最多的微气泡数量，而随着气流速率的增加，生成微气泡的数量减少，这是由于加压溶解罐中的空气溶解减少所致。与普通喷嘴相比，在每种气流速率下，SLM 喷嘴生成的微气泡数量更多。因此，在 100 cc/min 的气流速率下进一步进行了微气泡生成测试。
图 8. 在不同气流速率下普通喷嘴和 SLM 喷嘴生成的微气泡数量。加压溶解罐的压力为 0.3 MPa。此外，在 100 cc/min 的气流速率和 30 L/min 的水流速率下，应用了三种不同的加压溶解罐压力（0.2, 0.25, 和 0.3 MPa）来比较微气泡生成性能。
图 9a,b 显示了每种喷嘴类型生成的微气泡数量。在 0.2 MPa 的压力条件下，普通喷嘴生成的微气泡平均数量为 18,900 个。随着加压溶解罐压力的增加，生成的微气泡数量呈上升趋势，在 0.3 MPa 时达到 25,907 个。在相同的压力条件下，SLM 喷嘴生成的微气泡数量更多，分别在 0.2 MPa 和 0.3 MPa 下的平均数量为 37,891 和 52,368 个。在 30 MPa 压力下，SLM 喷嘴生成的微气泡数量比普通喷嘴增加了 102.1%。此外，重复实验中生成的微气泡数量的变化范围对于 SLM 喷嘴来说比普通喷嘴更大。这可能归因于与湍流增加相关的流体速度变化较大（在第 3.3 节中得到验证）。旁通比率的设计是为了随着加压溶解罐压力的增加而减小。对于普通喷嘴，当压力从 0.2 MPa 增加到 0.3 MPa 时，旁通比率减少了 8.4%。而在 SLM 喷嘴的情况下，相同压力变化下旁通比率减少了 6.5%。即使在相同的压力条件下，加压溶解罐的旁通比率在普通喷嘴和SLM喷嘴之间也相差约2%。这种差异归因于泵-罐-旁通回路内的流动阻力变化、控制阀的动态调节特性以及流体性质的微小变化，这些因素共同影响了系统内的流动分布。图9显示了在不同溶解罐压力下，（a）普通喷嘴和（b）SLM喷嘴产生的微气泡数量。图10通过粒子图像分析仪展示了在0.3 MPa溶解罐压力下产生的微气泡图像，图像尺寸为2 (W) × 3.8 (L) × 0.2 (D) mm3。与普通喷嘴相比，SLM喷嘴产生的微气泡分布更为密集。普通喷嘴和SLM喷嘴产生的微气泡大小范围在1–110 μm之间，符合微气泡的一般尺寸要求[10]。普通喷嘴的平均微气泡直径为38.8 μm，最多微气泡出现在31–40 μm的尺寸范围内。相比之下，SLM喷嘴的微气泡大小分布有所不同，最多微气泡出现在21–30 μm的尺寸范围内，平均微气泡直径为31.82 μm，显著小于典型文丘里型喷嘴产生的微气泡尺寸（大约几百微米）[23,24,25]。图10展示了在0.3 MPa溶解罐压力下，普通喷嘴和SLM喷嘴产生的微气泡图像。

3.3. 计算流体动力学模拟
为了研究每种喷嘴的微气泡生成机制，使用ANSYS Fluent进行了CFD模拟，重点关注分配板上的流速和流线。涡流空化是指在流体湍流（即涡流）中发生的空化现象。这种涡流结构会产生局部低压区，从而导致液体蒸发，从而促进微气泡的生成。如前所述，SLM结构被制造在分配板上以诱导湍流涡旋，从而通过涡流诱导的空化促进微气泡的生成。图11显示了通过CFD模拟获得的普通喷嘴和SLM喷嘴在分配板上的流速大小和流线。与普通喷嘴相比，SLM结构产生了更强的湍流。这种行为归因于SLM结构的存在，它诱发了不规则的湍流模式。结果表明，SLM辅助喷嘴由于SLM结构的作用增强了空化效应，导致流速和压力的快速变化以及湍流增强。结果，气泡被破碎成更小的尺寸，从而产生了比普通喷嘴更多的微气泡[10]。因此，引入SLM结构促进了湍流诱导的空化和气泡破碎，从而产生了更多的微小微气泡。

4. 结论
本研究将SLM工艺应用于制造用于加压溶解型微气泡发生器的文丘里型喷嘴的分配板上的表面结构。研究了普通喷嘴和SLM喷嘴产生的微气泡的数量和大小分布。本研究的主要发现总结如下：
(1) SLM结构文丘里喷嘴的制造：这种新型文丘里喷嘴采用了亚毫米级的SLM辅助结构，采用传统铣削或其他加工方法难以制造。SLM结构是在SLM工艺的最佳条件下形成在文丘里喷嘴的分配板上的，具体参数为：层厚30 μm、光栅间距120 μm、激光功率140 W和扫描速度100 mm/s。
(2) 微气泡生成测试：在不同气流速率和溶解罐压力下进行了30秒的微气泡生成测试。在气流速率为100 cc/min和溶解罐压力为0.3 MPa时，生成了最大的微气泡。使用粒子图像分析仪测量了产生的微气泡的数量和大小分布。对于普通喷嘴和SLM喷嘴，产生的微气泡大小范围都在1–110 μm之间，符合微气泡的一般尺寸要求。普通喷嘴产生的微气泡数量最多为25,907个，平均气泡直径为38.8 μm。随着加压溶解罐压力的增加，产生的微气泡数量也增加。对于SLM喷嘴，微气泡数量增加的同时，气泡尺寸减小。产生的微气泡数量最多为52,368个，平均气泡直径为31.82 μm。
(3) SLM结构对微气泡生成的影响：实验和CFD模拟结果表明，分配板上的SLM结构增强了流体流动的湍流强度，并引起了快速的压力波动，从而促进了空化现象。结果，气泡破碎加剧，导致微气泡数量增加。这些发现证实了SLM制造的结构在改善微气泡生成特性方面发挥了重要作用。因此，所提出的SLM结构文丘里喷嘴为提高加压溶解系统中的微气泡生成性能提供了一种有效的方法。