刚性壁面附近空化气泡作用下颗粒团簇动态特性的实验与CFD研究

《Ultrasonics Sonochemistry》：Experimental and CFD investigation of the dynamic characteristics of particle clusters under cavitation bubble near a rigid wall

　　

在空化气泡影响下颗粒的运动是一个非线性过程。本研究针对刚性壁面附近空化气泡作用下颗粒流中颗粒团簇的动态行为开展研究。通过实验与数值模拟，系统研究和分析了不同尺寸空化气泡对位于刚性边界不同距离处颗粒团簇的影响。结果表明，在气泡膨胀阶段，气泡达到的最大半径R_max决定了颗粒团簇被推离气泡中心时的峰值速度；质量较大的颗粒对刚性壁面附近气泡膨胀与溃灭的动态响应较弱。将VOF多相流模型与DPM颗粒追踪方法耦合，所得模拟结果与实验结果高度吻合。该方法对于在气泡团簇可能遮挡颗粒行为直接观测的实验工况下研究颗粒运动具有重要价值。由空化诱导射流引起的颗粒群对壁面的冲击强度，主要取决于空化气泡溃灭产生的射流撞击刚性壁面的速度。当表征空化中心位置与气泡半径之比的特征参数λ<1且气泡尺寸较小时，颗粒容易被加速至射流冲击速度的1/4至3/4，并讨论了空化气泡在颗粒团簇中演化过程中的能量传递与耗散。这一特定条件是此类情况下壁面损伤的主导因素。

空化是流体动力学中的常见现象，当流动中存在沉积物或颗粒时，会演变为包含气、固、液三相的复杂多相流动。在液压机械、分离器、油气分离系统和管路中，空化气泡与颗粒的相互作用可同时造成空蚀和颗粒冲蚀。以往微观研究多集中于单个颗粒与单个空化气泡的相互作用，与真实物理过程存在显著差异；宏观研究则因变量多、流态复杂，难以揭示多相流中颗粒与气泡相互作用的机制，且各研究结论并不一致。为此，研究人员针对刚性壁面附近单个空化气泡作用下的颗粒团簇动态行为开展实验与数值模拟研究，重点关注气泡膨胀、溃灭及射流冲击过程中颗粒速度、动能和壁面冲击强度的演化。该研究发表在《Ultrasonics Sonochemistry》。

研究人员搭建了由透明亚克力水箱、低电压火花空化气泡发生器、颗粒分散系统、高平滑度刚性壁面、Phantom v1210高速摄像系统和LED照明系统组成的实验装置。刚性壁面采用高强铝合金AL7075；流体介质为去离子水；实验颗粒为高纯绿色碳化硅，密度ρ_p=3210 kg/m³，粒径范围0.21–1.18 mm。数值模拟采用VOF多相流模型捕捉气泡界面，DPM追踪颗粒轨迹；基于Keller-Miksis方程和实验测得R_max确定初始条件；计算域为40 mm×40 mm×40 mm，近壁区域局部加密。模拟未引入气液相变质量传递，主要表征气泡膨胀、溃灭、近壁射流及由此驱动的颗粒运动。

在“颗粒团簇速度特性”研究中，实验与数值模拟结果均显示，在气泡膨胀阶段，颗粒团簇被向外运动的气泡壁推离气泡中心；最大气泡半径R_max决定了该阶段颗粒团簇的峰值速度，R_max越大，气泡传递给周围液体的动量越强，颗粒速度越高。颗粒质量增大时，惯性效应增强，颗粒对气泡膨胀和溃灭引起的瞬态流场响应减弱，速度增量更小且响应更滞后。在气泡溃灭阶段，近壁射流驱动颗粒朝向刚性壁面运动；高速摄影中气泡团簇的遮挡会阻碍颗粒速度测量，而VOF-DPM耦合模拟可弥补该不足，模拟与实验在颗粒运动方向、速度演化趋势和量级上均一致。

在“颗粒团簇对刚性壁面的冲击强度”研究中，颗粒冲击强度与其动能相关，动能按E_p=1/2V_pρ_pv_p²计算。当特征参数λ<1时，射流冲击速度较高，小颗粒易被加速至射流冲击速度的1/4至3/4，颗粒壁面冲击风险更高。研究人员引入有效斯托克斯数S_teff描述颗粒惯性响应，S_teff在0.72至3.48范围内时对应β=1/4至3/4，表明颗粒响应时间与射流作用时间同量级，颗粒只能获得部分射流动量。射流冲击速度可由单壁面条件下的v_jet=87.94γ^0.5估算，颗粒冲击方向与射流方向一致。

在“空化气泡能量的传递与耗散”研究中，气泡携带的能量E_b按4/3π(p_∞-p₀)R_max³计算，溃灭过程中能量主要通过冲击波、辐射力、射流动能和颗粒动能传递。利用Q准则提取射流冲击壁面后形成的近壁涡结构，涡量体积积分I_ω在射流形成前较低，射流冲击壁面时升高，随后因黏性耗散而下降，表明涡结构是气泡能量耗散的重要表现形式。剩余能量E_res=E_b-(E_jet+E_p)用于间接估计冲击波和相关耗散能量。

在“讨论与展望”部分，研究人员指出，当前VOF模型未考虑气液相变质量传递，对溃灭末期压力峰值和冲击波强度的预测存在局限；高浓度颗粒区域未引入颗粒碰撞模型，可能影响局部颗粒弥散和轨迹预测；后续还需测定颗粒壁面恢复系数，并拓展颗粒尺寸、气泡尺度和壁面距离等参数范围。研究结论可概括为：气泡膨胀阶段，R_max是控制颗粒团簇加速的主导参数；颗粒质量增大使其动态响应减弱。VOF-DPM耦合模型能有效再现颗粒团簇的主要运动特征，并提供实验无法直接观测区域的颗粒速度、轨迹和流场分布信息。气泡溃灭阶段，刚性壁面诱导非对称溃灭并形成朝向壁面的高速射流，颗粒壁面冲击动能主要由射流冲击速度、颗粒尺寸和初始位置决定；λ<1时小颗粒易被加速至射流冲击速度的1/4至3/4，壁面冲击风险较高。气泡能量主要通过冲击波、射流动能、流体运动和颗粒动能传递，射流冲击后形成的近壁涡结构是气泡能量耗散的重要表现。该研究为预测空化与颗粒协同作用下的流面损伤提供了理论基础。