1、文氏管中空化气泡的实验研究 1文氏管中空化气泡的实验研究 李超, 白立新，邓京军，应崇福 ( 中国科学院声学研究所，北京 100190) Experimental investigation of cavitation bubble in venturi tube Lichao, Bai lixin, Deng jingjun, Ying chongfu (Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190, China) 1 引 言 1 压电式空化 （ultrasonic cavitation ） 和流体动
2、力 式空化(hydrodynamic cavitation) 是产生空化的两 种主要方式。 压电式超声空化虽然有着频率、 功率 可控制， 局部强度高等优点， 但是不能大范围产生 空化的问题一直阻碍着压电空化的应用推广。 而流 体动力式空化由于其能效高、 更趋向于大规模应用 等优点， 成为人们应用空化效应的一个重要方式并 被广泛的研究 1 。 在声化学领域， 人们只注 重流体动力式空 化的化学效应， 很少去研究空化气泡的产生、 运动 和演化的过程。 而在流体力学领域， 人们对流体动 力空化气泡的产生和运动进行了详细的理论和实 验研究 2 ，但 是他们研究 的对象都是 针对水利工 程 方面， 和声
3、化学方面还有差别， 对他们的理论和实 验结果， 我们不能简单的应用。 因此有必要对流体 动力空化气泡的产生和运动特性进行研究。 文氏管是产生流体动力式空化的一种典型方 法。 普遍认为， 文氏管中截面积最小处由于流速最 大、 压力最小， 当此处压力低于蒸汽压时， 就会产 生空化气泡。 气泡向下游流动， 流速减小， 压力逐 渐增加，直 至破碎 3 。本 文中介绍了 文氏管中气 泡 产生、运动和压缩的高速摄影结果。 2 实验 基金项目 ： 国家自 然科学基金（批准号：10804118） 作者简介 ： 李超(1977-), 男，河南， 回族，助理研究员主要从事声空化 研究工作 通讯作者：李超 实验中
4、通过调节文氏管入口压力的大小来改 变空化的强弱。 为了详细观测气泡的产生、 运动以 及破碎过程， 实验对象为玻璃制作的文氏管， 并且 把喉部做的较长，如图 1(a) 。图 1(b) 为实验过程中 喉部的照片， 水从右向左流动， 图中黑点为喉部产 生的气泡。 (a) (b) 图1 文氏管示意 图和实物照片 Fig1. the scheme and photo of the ventri tube 声学技术 Technical Acoustics 3 结果 对文氏管 用高速相机观测， 如图 2 所示。 图 中 a,b,c,d 分别对应入口压力为 0.8atm,1.2atm,1.6atm,2.0at
5、m，出口压力为大气压的 高速摄影结果。图中显示的是图 1(b) 中靠近出口端 喉部局部的高速照片，每张照片的时间间隔是 0.5ms ，曝光 时间为 1/20000 秒。从图 中可以看出， 气泡在喉部同一位置产生，运动一段距离后破碎。 随着入口压力的增加， 气泡越来越大， 气泡运动的 距离也越来越长。 入口压力到 1.6atm 后， 气泡流出 喉部在文氏管下游破碎。 气泡在下游破碎的高速摄影如图 3 所示，图 中(a),(b), 分别对应入口压力为.16atm ， 2.0atm。从 图 中可以看出， 随着入口压力的增加， 流出喉部气泡 的压缩越剧烈，当入口压力为 2atm 时，在出 口端 能明显
6、看到气泡破碎后的气泡团。 4 讨论 由于我们采用的文氏管是喉部加长的， 因此在 整个喉部范围， 都是流速最大， 压力最小。 如果按 照上面引言提到的普遍的观点来说， 实验中在喉部 的起始处就应该产生空化气泡。 但是， 实验中是在 喉部的中间的一个固定位置才开始产生空化的。 因 此， 我们认为文氏管中空化气泡产生的原因可能不 是由于内部流速大， 引起局部压力减小至蒸汽压引 起的， 按照流体力学中的观点是由于加工过程中流 道的微小起伏引起流道表面存在一个压力最小处， 气泡在此处 产生并脱落 到液体中 2 。 为了证明这 种 猜测， 我们另做了一个喉部有两个明显起伏的类似 的玻璃管， 在喉部中间和出
7、口处两处起伏的位置都 会产生气泡，如图 4 ， 具体实验条件同上，由于篇 幅限制，不再详细说明。 (a)P in =0.8 atm (b) P in =1.2 atm (c) P in =1.6 atm (d) P in =2 atm 图 2 文氏管喉 部气泡高速摄影 Fig2 the high-speed photos of bubbles in the throat 图 4 喉部有两个明显起伏文氏管的照片 Fig4 the photo of the throat which have two obvious waves 参考文 献: 1 S.Arrojo, Y.Benito, A theo
8、retical study of hydrodynamic cavitation, Ultrasonic Sonochemistry, 2008,15,203-211 2 F.R.Young, Cavitation , Lodon, Mcgraw-Hill Book Company, 1989 3 P.R.Gogate, A.B.Pandit, A review and assessment of hydrodynamic cavitation as a technology for the future, Ultrasonics Sonochemistry,2005,12,21-2 (a) P in =1.6 atm (b) P in =2 atm 图 3 文氏管出口 部气泡破碎高速摄影 Fig3 the high-speed photos of the collapsing bubbles in the outlet of the ventri2
