机械设计制造及其自动化 旋流式涡流空化器设计与优化(2).doc

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1、仲恺农业工程学院毕 业 设 计旋流式涡流空化器设计与优化姓 名 伦杰新院（系） 机电工程学院专业班级 机械设计制造及其自动化152班学 号 201310824225指导教师 张日红职 称 副教授论文答辩日期 2019 年 5 月22 日仲恺农业工程学院教务处制Design and optimization of Spiral Swirl Cavitator deviceLun JiexinCollege of Electromechanical ScienceZhongkai University of Agriculture and EngineeringGuangzhou,ChinaSup

2、ervisor: Associate Professor. Zhang Rihong 学生承诺书本人郑重承诺：所呈交的毕业论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。除了文中已用特别标志加以标记的引述内容之外，本论文不含有任何其他个人或集体已经发表或撰写的研究成果。对本文研究做出过重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式标明。若在毕业论文的各项检查、评比中被发现有抄袭、剽窃或其他的违规行为，本人愿按学校有关规定接受处理，并承担相应的法律责任。学生（签名）： 年 月 日 摘 要利用空化技术进行污水处理时目前新出现的一种处理技术，也是近年来研究人员比较重视的污水处理技术的研究方向。空化技

3、术处理污水可以降解传统技术难以处理的物质，而且还没有传统处理方法的繁琐工艺和二次污染，效果好、效率高,容易实现大规模的应用。本次毕业设计主要是以空化效应可产生物理效应并分解有机物和消毒灭菌为理论基础，通过总结国内外对于涡流空化装置的研究现状，设计了一个新型的涡流空化装置。利用Creo三维建模软件和Fluent流体分析软件分别进行了结构建模和基于正交试验法的流体仿真分析。通过对仿真结果的分析选出空化效果最好的结构和流体参数，最终实现了对旋流式涡轮空化器的优化。关键词：涡流空化 污水处理 流体仿真 结构设计 优化分析AbstractCavitation technology is a new tr

4、eatment technology in wastewater treatment, which is also the research direction of wastewater treatment technology that researchers pay more attention to in recent years. Cavitation treatment of sewage can degrade substances that are difficult to be treated by traditional technology, and there is n

5、o complicated process and secondary pollution of traditional treatment method. It has good effect, high efficiency and easy to realize large-scale application.This graduation project is mainly based on the theory that cavitation effect can produce physical effect, decompose organic matter and steril

6、ize. By summarizing the research status of eddy current cavitation device at home and abroad, a new type of eddy current cavitation device is designed. Creo three-dimensional modeling software and Fluent fluid analysis software were used to carry out structural modeling and fluid simulation analysis

7、 based on orthogonal test method. Through the analysis of the simulation results, the structure and fluid parameters with the best cavitation effect are selected, and the optimization of the swirl turbine cavitator is finally realized.Words: Vortex Cavitations; Sewage Treatment; Fluid Simulation; St

8、ructure Design；Optimal analysis.目 录1 前言11.1 空化的原理11.2 现阶段国内外空化技术的发展现状21.2.1 国外研究及发展情况21.2.2 国内研究及发展情况32 空化及其产生的效应42.1 空化发生原理42.2 空化发展与溃灭52.2.1 空泡的发展52.2.2 空泡的溃灭52.2.3 空化数及其意义62.3 影响空化效果的因素72.4 空化产生的效应82.4.1 空化产生的作用和效应82.4.2 空化效应降解有机物的原理82.4.3 空化效应杀菌原理93 旋流式涡流空化装置结构方案103.1 核心部件结构设计113.2 上端盖接头与下挡板结构设计

9、133.2.1 上端盖及接头结构设计133.2.2 下挡板结构设计143.3 部分零件工艺需求154 流场仿真与结构优化164.1 流体模拟仿真计算的方法164.2 运用流体分析软件进行流场仿真164.2.1 旋流式涡流空化装置的三维模型创建164.2.2 基于Gambit软件的网格划分174.2.3 Fluent仿真参数设置204.2.4 流体仿真结果的分析214.3 正交试验法优化装置结构234.4 装置入口压力的优化235 旋流式涡流空化实验装置的平台搭建265.1 水泵的选型265.2 液体流量计的选型265.3 空化装置污水循环系统的设计276 总结29参考文献30附录31致谢323

10、61 前言1.1 空化的原理空化效应是一种产生复杂的物化过程。因某种因素导致在流体内的局部压力突然降低时，会在流体内部某个区域产空生泡。空泡会在时间下发展、膨胀、收缩和最后溃灭。空化的过程会产生空穴现象，因而空化产生的局部高温高压使在管壁或者元件的表面上形成“空蚀”，所以空化不单单与流体力学相关，热力学也有牵连其中。由于某些因素发生变化的原因，使流体内部出现了低压区域（这个低压必须要小于该流体系统相对应的温度下的饱和蒸汽压强）。使流体中的气体在流体中产生气泡。，气泡会在流体中发展、膨胀、收缩、最后会溃灭。空泡溃灭时同时伴随着的高温和高压侵蚀管壁或者元件表面从而形成空蚀。同时微射流也会伴随着空泡

11、的破灭而产生。因此空化过程不单单与流体力学有关系，而且一些物理和化学效应以及机械作用和电化学作用等都会因为空泡的破灭而伴随着发生。自从发现空化以后，人们也开始注意到它对各种机械结构产生的各种影响，例如，由于空化过程会产生空穴现象和微射流现象，这种现象会对船舶或潜艇的螺旋浆、管道、以及液压元件和水力机构产生空蚀破坏，影响其正常的工作的同时还会埋下安全隐患。所以，自从空化现象被发现以来，研究人员一直都在寻找方法来防止或者减少空化现象对机械结构的的影响，以延长水力机械的使用寿命。随着科学技术的发展，计算机技术和检测技术的不断提高，研究人员开始从不同的角度用不同的检测方法对空化现象进行研究，从而对其有

12、了进一步的认识。研究人员发现空化发生过程中，其瞬间产生的局部高温高压可以达到约4000K6000K和50Mpa，在这中瞬间高温高压的情况下我们可利用来进行一些常温下很难发生的化学反应。空化技术就是利用这种空化效应发展而形成技术。空化技术是近年来新出现的一种水处理技术，它是利用其空化形成的特殊效应发展起来。按照空化出现的的方式，我们可以分为四种种类：（1）超声空化技术；（2）水力空化技术；（3）光空化；技术（4）粒子空化技术2。经过研究人员多年的研究和探索，前两种空化技术已经逐步成熟并且可以应用到污水处理技术中了。但是，光空化技术和粒子空化技术两种空化方式还处在摸索和实验阶段目前技术还不是很成熟

13、。相比之下，传统的污水处理方法也有很多，如活性污泥法、吸附法、生物膜法、消毒剂、浮选法、萃取法等方式。这些传统的污水处理的方法已经是很成熟了但是有些污水如果利用传统的污水处理的话效果不是很理想而且还会产生二次污染，例如在传统的污水处理方式处理生活污水的往往需要把污水中的氨氮、有机物降、和BOD值低到国家规定的标准才可以排放在这个过程中就会产生二次的污染源比如在这个过程中产生的污泥需要人工运走，同时因为污水在生化池里面要静置一段时间所以还会产生废气污染等问题。而利用空化技术来进行污水处理，水在空化装置内是流动的不会产生很大的废气污染，同时也不需要再处理的过程中投入大量的药物处理里污水中的氨氮物质

14、和有机物降低了成本，同时因为装置比较简单，运行和维护成本相对较低，大规模投入运行相对容易，空化装置更加经济和有效。下面就简要的列出一些传统的污水处理方法。吸附法主要是利用吸附剂把水中存在的微小的颗粒污染物进行吸附集中到一起，再将污染物进行脱离吸附剂和水体的操作，从而达到处理污水的目的。其处理的对象一般能够观察微型颗粒、尘埃或者以下金属粉尘。在进过吸附剂作用后，能观察到被处理的污水的有明显的变化最直接的表现是水变得更清澈了。吸附剂拥有对污水的去色、除臭、脱除重金属、不溶于水的物质、分离各种溶解性有机物等的能力。常见的吸附剂有活性炭纤维、硅胶、硅藻泥等。但是也有它的缺点，例如使用后吸附物质重新利用

15、起来的难度大，单位吸附污染物的容量并不大，吸附效率会随着使用的时间变长而减弱，使用吸附剂后所产生的污染物需要进行二次处理容易造成二次污染。膜分离法，按照膜的孔径的大小等级，可由小到大分为反渗透、纳滤、超滤和微滤四种。不同等级的膜可以处理不同微粒直径的污染物，并且使用膜分离技术进行污水处理的同时，还能将污水中有用的金属物质或者其他的有用物质回收。超滤膜作为最早研究的高分子分离膜之一，在上个世纪60年代已实现工业化了。所以现在的膜分离技术也已经相当成熟了。但是当膜的使用次数增多后会使得膜上的残留污垢物增加从而影响膜的使用效果。从而影响污水处理的进度。虽然使用膜分离技术有很多优点，但是因为膜的制造技

16、术要求高，生产成本高、维护费用高等也使得这项技术难以大规模应用。使用消毒剂进行污水处理，为了杀菌消毒我们通常都会直接向污水中投入消毒剂。我们现在常使用的消毒剂有氯酸钠、臭氧、二氧化氯、液氯等消毒剂。主要是利用消毒剂强大的氧化作用来破坏污水中的微生物的生理结构从而达到消毒杀菌的效果，由于具有强大的氧化性也会把污水中的一些有机物降解氧化。我们在生活中接触最多的就是利用次氯酸钠对自来水进行消毒，这种消毒方式虽然简单效果明显但是也会容易产生副产物。1.2 现阶段国内外空化技术的发展现状1.2.1 国外研究及发展情况空化现象是一种物理现象，最早注意的这个现象的是1753年的欧拉，他指出“如果水管中某处的

17、压强若降到负值时，水即自管壁分离，该处将形成一个真空区，这种现象应予避免3。在十九世纪中后期，人们在实践中开始注意到这样一个现象了，当船舶的螺旋浆的转速提高到一定后发现船舶的航行速度反而下降了。“空化”这一概念被明确的提出来是在1895年，当时Parsons和Bamaby调查英国的鱼雷潜艇和蒸汽船螺旋桨效率严重下降的问题时提出“当流体和固体之间有高速运转的场合时有可能会出现空化现象1。Janusz Ozonek在进行利用空化效应分解难降解有机物的实验时，提出了空化技术在工业上的使用概念4。并且在研究空化技术的物理基础上建立了水力空化物理模型，阐述水的空化效应在论述水动力空化效应在污染自然环境物

18、质高级氧化中的应用。1994年Botha和Buckley将水空化装置和UV辐射组合起来进行研究，发现能够产生更高的空化效应而且水的处理效果更好6。1998年Kalumuck和Chahine利用不同的空化装置和条件进行降解p-硝酸苯酚的实验，发现该装置比用超声波方法在效能方面呈二次方比例增加6。2000年，Jyoti和Pandit利用不同的消毒技术净化地表水进行了研究试验，表明跟传统的的消毒技术相比，水力空化技术是一种非常经济且具有潜力的新型污水处理技术6。Ruly Tern Hilares等人使用空化技术提高了木质纤维素生物质预处理效率，说明了空化技术作为一种辅助工艺来代替传统的污水处理方法是

19、非常有效的5。而且这种技术的处理效率高、结构简单、操作方便，适合大规模使用。1.2.2 国内研究及发展情况与国外相比我国对空化技术的研究起步比较晚，在21世纪以后，我国一些关于水力空化的研究和文献资料才慢慢地被研究人员填补空白。下面是我国的一些研究人员关于水力空化的研究说明。2007年张晓冬等人使用文丘里管作为空化装置的发生器对含有大肠杆菌的水体进行灭菌处理的试验，试验结果表明，水体中产生的空化效应能有效的使水体中微生物失去活力从而实现了对含有细菌的污水进行消毒作用7。同年，乔慧琼等人使用空化装置进行降解含苯酚、二甲苯废水的试验，发现通过调节相关参数可以提高苯酚、二甲苯的降解效率8。2010年

20、冯中营分别对超声和水力空化的杀菌机理进行了分析，并且在不同的条件下进行了超声杀菌和水力空化杀菌的试验，结果表明，水力空化的杀菌效果比超声处理的效果好9。张斌等人通过使用紫外线可见光光度计的显色反应，间接测出空化时的OH自由基的产量。通过对比板孔空化器比涡流空化器的OH自由基的数量，证明了涡流空化器的效果更好10。水作为地球的一种自然资源，应用的领域非常的广泛。但是随着工业技术的发展以及人们物质生活的提高使水资源的使用量也随之增大，污水的排放量也不断的增加。同时污染水资源的污染物的种类也不断的增加，使传统的污水处理方式的难度加大了。而利用涡流空化技术进行污水处理可以降低处理成本同时效率更高不会造

21、成二次污染使用起来方便易于实现大规模应用。2 空化及其产生的效应2.1 空化发生原理通过查阅文献资料我们知道，空化的产生是由于流体系统中出现了低压区（这个低压要低于相应温度下的饱和蒸汽压力）是溶于水中的微气泡内部压力大于流体中的压力，使微气泡呈现爆发性增长的现象。由此我们可以知道，发生空化的两个必要条件是：流体中一定要有微气泡和低压区。同时由于液体与气体两种流体的密度是不相同的所以很难稳定的混合在一起。我们经常喝的碳酸饮料就是很好的例子，当我们打开盖子时我们会看到气泡会不断地往上冒。在生活中我们可以知道我们大多数看到或接触到的液体都不是纯净体，或多或少都会有一些杂质在里面。空化产生的复杂物理现

22、象，会使产生的空泡在极短的时间内膨胀、收缩、溃灭。这个过程产生了复杂的物理和化学作用。2.2 空化的发展与溃灭2.2.1 空泡的发展在流体中的空泡会膨胀、收缩、溃灭，同时空化的发展也可以列为四个过程：（1）初始空化。流体中会出现不连续的小气泡。这是因为某种因素发生变化的原因，使流速加快出现了局部低压时，空泡从流体中释放出来。这个过程的空泡是因为流体中的压力下降而出现的。（2）附体空化。这个阶段空泡由于是着附在流体中的，所以叫做附体空化。因为流体中的压力继续下降，低压的区域也会在增大。这时的气泡会不断的从流体中释放出来。（3）云状空化。压强继续下降，紧接低压区的区域也不断扩大。这时候的空泡是因为

23、液体的汽化而出现的。流体产生许多空化泡，其空化形态呈云片白雾状。（4）超空化。当流体的低压区压力进一步下降，产生空化的范围也会不断地增大，流体的近壁区域内产生了气液两相的相交的状态。空化的发展拥有几种的流体状态，而且这几种状态可能会相互进行转换，初始空化的出现是流体从单相流态变为两相流态的标志，初始空化的出现不依靠流体的流速，这个时候出现的空泡是由于流体压力降低，溶解在流体中的气体由于压强的降低而被释放出来的。2.2.2 空泡的溃灭当含有气体的流场的压力下降后，流体中的气体会释放出来产生空泡。当流体中的压力升高或者恢复原来的的压强时，空泡内部和外部的压力平衡被打破，使空泡不稳定，到最后被压缩溃

24、灭，在这个溃灭过程就产生空化效应。这说明空泡溃灭后空化效应才会发生。空化泡溃灭是一种产生复杂的物化过程。虽然科技已经比较发达了，但是研究人员还无法完全用理论去解析空泡溃灭所产生的影响。我们只能从大量的实验和使用数值模拟的方法来解析空泡溃灭的效应。通过大量的试验和研究表明，通常我们认为空泡的溃灭方式有三种如下图（1）所示图1 空泡溃灭的方式通过图1我们可以发现，当初始空化泡一侧受到压力的变化或干扰时，空化泡会发生变形，最后流体会穿过空泡使空泡破裂产生空化效应，原先的空泡分裂成更小的空泡。当流体从气泡的一侧穿过空泡就会产生微射流，这就是典型的微射流形成过程。通过查阅资料我们知道空泡在溃灭的过程所经

25、历的时间极短，大约为二十几个微米，同时在溃灭的过程中会产生大量的微射流，微射流会产生很大的能量，这庞大的能量就是水力空化能够处理污水的条件之一。2.2.3 空化数及其意义结合实际工作经验和计算分析，影响空化发生的因素有很多。然而主要影响因素还是流体的压力和流速。我们可以将流体刚产生空泡时的状态作为流体发生空化的临界状态，就是我们所说的空化初生。此时流体中的流速增大压强下降应，而饱和蒸汽压强被视作是能否产生空化效应的临界压强。所以我们就使用压强和速度衡量空化发生的程度。这是空化数的表达式 （2-1）式中：空化初生时的环境压力； v空化初生时的来流速度； 水的饱和蒸汽压； 水的密度。由上面的公式，

26、我们可以知道在任意一个流场中，当时，流场可以发生空化的；当时，流场处于空化的临界状态；当时，是不会发生空化。空化数这个概念有助于我们对空化的产生有一个全新理性的认知。空化数的意义：（1）使用空化数我们可以判断空化初生和空化强度。由上面我们知道，空化数表示能否发生空化的一个临界值和发生空化的难易程度；（2）可以表示水力机构抵抗空化影响的能力。每一个水力设备都有一个相对应的值，值越小发生空化效应所需的压强就越小，此结构抵抗空化的能力越强。（3）可以对比不同的流场的空化效应的是否接近，当不同流场的空化数值接近时或相等时，我们可以认为它们所发生的空化效应也是近似相同的。2.3 影响空化效果的因素空化数

27、会影响空化效果的。由公式可以知道影响空化效果的因素主要有绝对压力和流速，但是在实际当中还会存在许多外在的因素的印象。例如流体中的气含量、压强的分布、机械结构、还有流体中的杂物等都会对其产生影响。（1） 流体中的气体含量和核谱的产生的影响。当流体速度不发生改变时，如果流体的气体含量越多那麽其发生空化的可能性就越大，因为压强降低是含气量多的流体产生的空泡数越多。同时不同的核谱产生空化效果也是不一样的。（2） 压强的影响。压强是影响空化效应的最直接因素，压强下降地越低那麽发生空化的可能性越大。（3）粘性的影响。粘性主要是影响空化初生的发生位置。即在那个位置会发生空化，而粘性又受到雷诺数的影响。（4）

28、流道结构。由液压知识我们可以知道，当流道的结构或者横截面积发生变化时，流体中的速度也会发生改变，而速度是影响空化发生的重要因素。（5）流道的边壁表面条件。一般来说，如果管壁的表面越粗糙那麽使流体与边壁发生分离就更容易发生，从而产生局部的高速和低压区，使空化初生更容易发生。（6）其他的因素的影响。比如发生空化初生的气核半径，还有就是流体中的热力学性质和高分子聚合物、气核周围流体的压强大小和气核生长惯性等因素有关，这些因素都是相互联系的。2.4 空化产生的效应2.4.1 空化产生的作用和效应由上可知，空泡溃灭后会伴有强烈的能量和机械作用，同时还会一些在常温下难以发生的物化反应产生。（1）机械作用：

29、由下图（2）12我们可以知道空泡的初生到溃灭的时间是极短，在6毫秒的时间里发生了六次空泡的溃灭。而溃灭过程会产生强大的微射流现象，而微射流伴随着强大的冲击的能量，当流体的壁面不断地承受着强大的微射流短时间内的反复冲击，可能会引起材料的疲劳破损，甚至是表面的脱落，这就是我们常说的空蚀或气蚀现象。图2 空化泡的空化过程图示（2）“水相燃烧”：由前面我们可知道空泡溃灭使会产生局部的高温，气泡和流体的交接界面附近的介质被迅速分解，这就是我们所说的有机物“水相燃烧”反应。由于热传递需要时间，但是空化反应的时间是极短短的，而热量无法在极短内的时间消散，所以就使流体内局部的温度迅速上升，就形成了所谓的“热点

30、”。2.4.2 空化效应降解有机物的原理随着工业技术的发展，水资源的污染也越来越严重，污染物的有机物种类也越来越多，使得传统的物水处理方式难以解决这些问题。所以我们必须要寻找更加高效、方便、简单的新方式来解决这些难题，而研究人员发现，空泡溃灭产生的瞬时高温、高压，能够将有机物直接分解以外，同时也能使水蒸汽在高温高压下发生分裂及链式反应：H2OOH+H2 （2-2）OH+OHH2O2 （2-3）2HH2 （2-4）在化学中OH和H2O2拥有有强氧化性的物质，能够直接与流体中的具有还原性污染物直接发生氧化还原反应将其还原成无害的物质，同时还可以将污水中的某些直接有机物分解掉。2.4.3 空化效应杀

31、菌原理随者工业的发展和人们生化水平的提高人们所产生的污水也随之增加，污染物的种类也越来越复杂，对人们的生活和生产造成了很大的影响，如果处理不恰当还会造成农作物的失收或者引起疾病的传播。而传统的污水处理方法虽然比较成熟但是在处理过程中会产生二次污染，而水力空化技术产生的作为一种新型的处理方式，在处理的过程中没有添加任何的试剂，同时结构简单有效，效率高不会产生二次污染。空化效应能拥有杀菌效果主要是因为空泡溃灭的瞬间会伴有强烈的机械作用和热效应发生。空化效应发生的时间非常短，这时每秒发生的空化效应次数达到数万次，这时候在瞬间产生的局部的高温高压和强烈的脉冲微射流会对细菌的细胞壁产生破坏，高温高压会破

32、坏细胞壁的表面有机物容易使细菌失去活力。同时脉冲微射流会对细胞壁不断冲击，当冲击的强度超过细胞壁的抵抗能力时，会破坏细胞壁从而杀死细菌。3 旋流式涡流空化装置结构方案在前面我们已了解发生空化需要的条件和产生空化的原因了。流体要发生空化效应的首要条件是压强必须要降低，同时流体中要有空泡产生。当流体中的压强进一步降低低过饱和蒸汽压时流体中的水便会汽化，使小空泡体积不断膨胀。当空泡外部的压力升高使内外压力无法保持相等时，空泡就会被压缩最后破灭发生空化效应。通过查阅文献资料，这里就简单介绍现有的国内的一些涡流空化装置。陆凯等人研究的涡流空化装置中，拥有涡流仓、组合仓、挡板、窄缝等结构，如图315。张斌

33、等人的新型涡流空化器装置中，拥有进液口、旋流腔、出液口等结构，如图48。贾金平等人的两个涡流空化器，第一个空化器图（5）它是由进液管(1)，三个同轴的内圆筒(2)、中圆筒(3)、外圆筒(4)和喷嘴(5)组成，第二个空化器图（6）它是由进液管（6）、抛物面形锥体（7）、狭缝圆盘（8）、导流板（9）和喷嘴（10）组成13图3 陆凯等人的涡流空化装置图4 张斌等人的新型涡流空化器装置进液管1；三个同轴的内圆筒2；中圆筒3；外圆筒4；喷嘴；图5 贾金平等人的涡流空化器一进液管6；抛物面形锥体7；狭缝圆盘8；导流板9；和喷嘴10；图6 贾金平等涡流空化人的器二而国外对于涡流空化的研究开始的比较早一些，下

34、面我就简单的介绍几个外国的涡流空化器。下图7是由Curtext Hallberg和Morten Ovesen所发明的喇叭形的涡流空化器。它是由入口管12，涡流发生器的上部16，锥形螺旋形通道20，涡流室30，空化板54等部分组成14。入口管12；涡流发生器的上部16；锥形螺旋形通道20；涡流室30；空化板54；图7 Curtext Hallberg和Morten Ovesen的喇叭形的涡流空化器图（8）所示的涡流发生器是由美国的STAPLETON THOMAS所发明的，它是由入口管12，涡流室14，气体出口管16，膜18，液体出口管20，喷嘴22组成16。入口管12，涡流室14，气体出口管16

35、，膜18，液体出口管20，喷嘴22组成图8 Stapleon Thomas的涡流发生器图(9)所示的涡流空化器是由Gordon Roman，Gorodnitsk Igor和Promtov Maxim发明的。由图可知当液体从入口进入经过螺旋导流片和导锥所形成的截面是流体速度增加，压强变小，当通过中心孔后截面积瞬间变大最后在涡流发生器中产生空化效应，最后流体从中心孔流出。图9 Gordon Roman，Gorodnitsk Igor和Promtov Maxim的涡流空化器通过对现有的国内外的装置的学习，我们设想出以下的一个新型涡流空化装置如图10所示，它的组成部分有接头、上端盖、涡流空化核心部分、

36、下挡板等四个主要部分组成，具体的尺寸和结构会在下一小节进行详细的展开讲解。图10 空化装置的核心部分示意图3.1 核心部件结构设计本次毕业设计的涡流空化器最主要的结构部分的俯视图如下图（11）。空化的结构主要部分的上部分设计了均匀分布的六个涡流发生腔以及在中间设计一个将流体向六个涡流腔发散的腔构成。流体有接头上方进入，然后通过发散腔边缘的涡流缝隙进入到涡流腔里面，由于涡流的缝隙比较狭小所以流体进入涡流缝隙后的速度会增大，然后进入涡流腔进行涡流运动，流体会在涡流腔的中心附近低压区，这时候由于流体的压力降低了，使其中的气体溢出来，形成空泡，这是产生空泡的关键一步，通过设置多个涡流腔来增加每次产生的

37、空泡数来提高该装置的处理效率。图11 涡流空化部件俯视结构示意图涡流空化结构的核心部分的剖视图，如图12所示每个涡流腔都设有螺旋线流道，流道的横截面积由上到下逐渐变小，液压原理我们知道随着横截面积的减少流体的速度会增大，当流体从螺旋道冲出来的瞬间得到一个高速，结合伯努利方程我们知道这是流体内部会产生一个低压区，随着流体压力的降低，原来从涡流腔形成的空泡会增大膨胀，当流体从螺旋流道上的小孔冲出来的瞬间，横截面积瞬间增大，流体的又压力升高，导致空泡最后被压缩到最后溃灭发生空化效应。而且每个螺旋通道上都设有通向混合室的通孔，当流体从螺旋线上的通孔喷射出来是会与混合室的挡板发生激烈碰撞可以让空泡更彻底

38、的溃灭，从而使空化器处理污水的效率更高。涡流空化部件的立体剖视图，如图12，螺旋线流道的横截面大小随流体去向方向逐渐缩小。根据流速与流道横截面积的关系，当流体从螺旋流道入口处进入后速度会不断增大，在出口处会得到一个最大速度。结合伯努利方程我们可以知道在出口处会形成局部低压，空泡的直径也会增大。冲出流道后截面积骤升，压力恢复，空泡内外压力无法维持其形态而导致溃灭，空化效应发生。而且每个涡流腔都设计一个通向混流室中心的螺旋线流道，并驱使多个流道里流体与设计在涡流部件下方的挡板发生激烈冲撞，让小气泡溃灭更加彻底，从而提高每次污水处理的空化率。我们需要确定涡流空化器的基本尺寸，涡流腔的直径是65mm，

39、螺旋流道的直径是一个优化的变量，我们暂时确定为21mm,螺旋流道的出口的直径为3mm，每条螺旋流道上都设有多个通向混合室直径为3mm的孔。空化核心部分的边缘布置了六个公称直径为18的螺栓螺纹孔，用于上端盖和空化核心部分和挡水罩以及顶板的连接。流道螺旋线方程：图12 涡流空化部件立体剖视结构示意图3.2 上端盖接头与下挡板结构设计在涡流空化装置运转时，由于流体中的强大压力，所以必须保证能在发生空化效应的同时，必须保证零件之间连接的密封性，以防由于强大的压力而导致流体从零件内部溢出来导致压力损失，同时因为在产生空化效应的同时，还伴有强大的微射流和冲击波以及震动等影响，所以必须要保证装置在工作时的稳

40、定性以及密封性。3.2.1 上端盖及接头结构设计因为发生空化效应核心部分的结构是顶部是开放式结构，所以必须要对其进行密封处理才能使流体在进入涡流腔时不会发生溢流，保证流体的压力不会损失。按照发生空化装置的核心部分的尺寸和入口的压力大少，选用公称直径为18的螺栓连接。用螺栓将上端盖，涡流空化核心部分，挡水罩以及顶板连接固定起来。如下图（13）所示为上端盖和接头的剖视图，接头和上端盖的密封以及上端盖和空化部件之间的密封都使用定制的密封圈来进行密封，这种使用密封圈来进行密封的方式，在很多场合都会使用的，密封效果也良好。图13 上端盖及接头剖视结构示意图3.2.2 下挡板结构设计为可以让流体中在空化时

41、产生的空泡能尽可能的溃灭，以提高该装置处理的效率，所以在空化核心部分即螺旋流道的出口处设计一个下挡板，当流体从流道上面的孔喷射出来碰撞在混流的圆柱形挡板后，会掉落到下挡板里面，由于空化效应产生时会产生跟多的小空泡，当多股流体都冲上挡板中心是，也可以让多股流体发生碰撞，在一定程度上也提高了装置的空化效率。最后流体会从挡板的中心处流出完成了一次污水处理的工作。由于下挡板会受到流体的强烈的冲击，必须要将下挡板和空化的部分下方稳定的结合。初步选择使用顶板和螺栓的组合，用顶板将下挡板与空化部分的安装。如图14，是下挡板的全剖面结构示意图。基于下挡板的作用，其结构可以使用304不锈钢板进行焊接形成所需要的

42、结构。图14 下挡板全剖面结构示意图3.3 部分零件工艺需求由于空化效应会产生空蚀作用和机械作用以及复杂的物理化学作用，所以必须要对空化装置进行特殊的处理，目前最主要是要防止空化效应产生的空蚀作用对零件的影响。近年来，学者在研究水力空化技术的同时，在研究抗空蚀的涂层材料的方向也不断的取得成果。使用抗空蚀的材料可以大大提高了装置的使用寿命，减轻了空化效应的空蚀作用对装置的损坏，同时也提高了流体装置的性能。由于喷涂空蚀材料的方法比其他的抗空蚀的方法，方便有效，容易实现而且比较经济实惠，所以在在大多数的水利工程中都会应用。下表（1）中列出了目前常用的金属表面抗空蚀材料以及其使用的方法和应用情况。表1

43、 目前常用的金属表面抗空蚀涂层材料工艺方法及其应用状况材料工艺方法应用状况金属陶瓷粉激光熔涂水轮机叶片的表面钨系、钴系和钴系合金粉末火焰喷焊水流机过流部件保护层CB1焊条堆焊常规水力机械修复随着研究人员对抗空蚀材料的不断研究，他们发现与金属材料相比非金属材料也具有很高的抗空蚀的能力，在有些地方还可以完全替代金属材料，例如传动系统的齿轮和轴。下表2中列出了国内外的一些非金属材料种类以及工艺方法和性能特点。但是由于金属材料和非金属材料在属性上的差异，所以在使用非金属材料作为抗空蚀材料时有时候会使因为与金属母体的结合强度较低，在流体的强烈冲击下容易使非金属镀层脱落。所以这也是非金属材料使用受到限制的

44、原因。表2 常用非金属涂层材料涂层材料工艺方法性能特点多种材料组合涂层常温涂抹与金属结合强度较高，抗空蚀、抗磨蚀性能好MECATEC涂层常温涂抹抗空蚀，但抗磨蚀性能较差复合尼龙系列热烙涂覆、静电涂覆抗空蚀、抗磨蚀性能较好，但低于不锈钢环氧聚合物系列常温涂抹抗冲击强度低，抗空蚀性能较差S-80型聚氨酯常温喷涂抗空蚀、抗磨蚀性能高4 流场仿真与结构优化4.1 流体模拟仿真计算的方法随着人类社会的不断发展，人类追求的物质和生活需求不断扩大。一些雄伟的人文建筑，高效便捷精密的电子产品都相继的被创造出来，例如港珠澳跨海大桥、长江“三峡”大坝、仿生机器人、无人机等，因为这些系统的数量级研究起来非常庞大或者

45、微小，如果按照传统的方法来计算会耗费庞大的人力和资源，不符合现在的设计要求，针对这些问题，并且在计算机的帮助下，有限元分析发法发展起来了。它可以帮助设计人员在设计的早期找到符合要求的大概范围，降低人工计算的成本和时间，降低设计成本。有限元分析法对于解算复杂的动静力学、温度场、流场、电磁场和压力场等问题提供了一个十分有效的途径。有限元分析方法，其与牛顿和莱布尼茨发明的积分法有比较明显的区别，与后者不同的是，它不需要在计算中考虑整体的复杂的定义域边界条件，而是将定义域划分为简单的几何网格形状（即网格划分的基本思想），然后对目标求近似解。用这种方法来求解可以节省大量的工作时间，虽然输出的极值可能会有

46、偏差，但是对于庞大的工程来说是还是非常有效便捷的。4.2 运用流体分析软件进行流场仿真在现代的工程设计中，很多工程大多时候都不能直接通过实践来得到初步的设计结果，所以我们通过计算机仿真软件来进行初步方案的设计和优化。本次毕业设计我们使用Fluent流体分析软件，它是目前市场上最流行的几款CFD软件之一。在美国，它的市场使用率达到60%，在我国该软件也得到了广泛的应用，而且可以兼容很多的机械三维建模软件的文件，并且能够进行仿真分析机械机构的流场、磁场、电场、热力等应用场合上的各种物理量。其强大的流体解析能力已经可以满足这次毕业设计的水力流体仿真的工作。4.2.1 旋流式涡流空化装置的三维模型创建

47、在前面，我们已经对结构的重要尺寸进行了初步的设定，我们运用Creo三维设计软件进行零件的创建。如图15所示，从图中我们可以清晰地看到，空化部件、顶盖、接头、下挡板之间的组合装配关系。应用creo软件创建结构是因为其兼容性非常好，不仅可以和本机的三位软件进行关联，还可以输出solidworks、CAD等软件的专属文件，其功能非常强大而且方便。这里我们需要用Gambit来进行网格的划分，为了方便以后的操作，我们将装配好的结构直接保存为stp格式，并且勾选“实体”“壳”“小平面”，能有效地防止模型在输出过程中小曲面特征丢失。图15 涡流空化装置零件三维结构4.2.2 基于Gambit软件的网格划分由于我们所研究的是流体在装置的压强变化情况，所以我们要把零件组成的