工程科学与技术，国际期刊38（2023）101323销盘旋转空化发生器JurijGostiša，BraneŠirok，BenjaminBizjan，JernejOrtar，MatevzDular，MojcaZupanc卢布尔雅那大学机械工程学院，斯洛文尼亚阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2022年2022年11月15日修订2022年12月28日接受在线预订2023年保留字：水力空化销盘反应器空化动力学流动可视化多参数分析A B S T R A C T水污染的惊人增长正在推动对新型环保处理解决方案（如水力空化）的研究。本研究是针盘旋转式水力空化发生器研究的一部分，针盘旋转式水力空化发生器利用转子针后的低压尾迹诱发空化，利用转子与定子针之间的短间隙增强空化云脉动。由于缺乏理解的空化处理的影响，一个实验室装置，建立了调查空化产生的机制和各种几何特征的影响，使用同时测量的压力波动和高速可视化，开发了一种方法来量化空化的程度，并且发现高压侧的节流对空化的影响比转子销的数量小一个数量级。结果发现，具有较大下游面积的较少数量的转子销产生最具侵略性的空化条件。弱的光谱响应和较低的平均蒸汽云面积，以及在没有定子的情况下较低的波动©2022 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。1. 介绍过度消费和生产导致地表水和地下水污染日益严重，造成全球水资源短缺。负担过重、有时甚至过时的污水处理厂（WWTP）正在努力跟上不断变化的产品中进入水通道的新型、潜在有毒化合物的步伐。废水也是各种病原微生物的主要来源，如细菌和病毒[1]，这些病原微生物可导致与受污染的水接触的生物体严重感染，影响农业用水的可用性。更糟糕的是，抗生素通过污水处理厂的废水进入水生环境人类健康在不久的将来。此外，传统的WWTP没有被设计成同时破坏许多结构上不同的微污染物，例如药物和微塑料，以及病原微生物和病毒，并且*通讯作者。电子邮件地址：jurij. fs.uni-lj.si（J. Gostiša）。由Karabuk大学负责进行同行审查很快变得低效。为了遵循欧盟委员会的一项关键行动，有必要开发和研究能够去除或减少WWTP废水中药物的新技术。同样，为了防止类似的甚至更具传染性的疾病（例如我们目前正在经历的疾病）在全球范围内爆发，在污水处理厂中实施技术至关重要，该技术可以在病毒或细菌到达易受感染的个体之前将其摧毁。目前从水中去除病毒的方法相对有效，但它们要么昂贵、耗时、需要大型基础设施，要么更重要的是，产生不需要的消毒副产物，这些副产物在长期内可能是有毒的[3，4]。当然，毫无疑问，在紧急情况下，当人的生命处于危险之中时，有效治疗的费用不是问题，但当从大局出发时，优选更长的时间尺度、有效的和经济上有利的技术。已经证明是环境友好且经济可行的一种这样的替代方案是水力空化（HC）。HC属于高级氧化工艺（AOP），因其具有较高的处理潜力而受到越来越多的关注。Wang[5]、Panda[6]和Yadav[7]最近审查了HC领域的最新技术水平，包括HC生成装置及其应用范围为了利用水力空化效应，各种类型的https://doi.org/10.1016/j.jestch.2022.1013232215-0986/©2022 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchJ. 戈斯蒂沙湾希罗克湾Bizjan等人工程科学与技术，国际期刊38（2023）1013232命名法AOP高级氧化工艺COD化学需氧量HC水力空化RGHC水力空化WW废水污水处理厂可以使用装置来产生空化。通过液体速度和压力引入能量的被动限制装置包括孔口、文丘里管和喷嘴装置，其中由于几何形状的突然变化而产生空穴，导致压力突然下降这些装置被表示为高能量消耗，因此，已经引入了主动装置，其中不需要流体动力形式的能量，而是由空化产生装置本身供应旋转HC发生器（RGHC）属于这一类，并已被许多作者广泛研究。凹窝转子装置的特征在于具有凹窝的转子，流体以高速进入凹当它离开时，在凹口附近出现低压区，引起空化。[8]这是一个由巴德夫（Badve）[8]、马沙莱克（Maršalek）[9]（图）研究的带有鼓状转子的装置。图1- A）和Sun [10，11]的厚盘式转子（图1 - B）。Villaroig [12]研究了在转子和定子之间的径向间隙中产生气穴的装置（图13）。 1- C）和Cerecedoa [13]（图。1- D）。Širok [14]（图1 - E）、Petkovšek [15，16]（图1 - F）和Stepišnik [17]研究了一种串联对锯齿盘RGHC的研究导致了新型销盘RGHC的发展，该新型销盘RGHC在转子和定子上布置有圆柱销。空化发生在转子销后面的低压尾流中，并且之前已经在试验规模[18，19]（图1中试规模的实验结果表明，显着的机械和化学效应，强烈依赖于操作和几何RGHC特性。数值计算结果证实了转子销数目越多或转子与定子销之间的间距越小并不会导致性能越好曼斯这促使我们建立了一个实验室规模的RGHC设备安装在一个测试台，允许实验在一个高度受控的环境中进行，以评估操作和设计特征对空化特性的影响。本研究的目的是：1. 使用可视化和压力波动测量研究HC生成的机制，2. 评估转子-定子的操作条件和几何特征的影响3. 比较所调查的实例，并报告适合未来实现的性能良好2. 材料和方法建立了一个试验台，以评估RGHC的几何特征，在不同的操作点，其流体动力学和空化特性。水动力特性包括压力和能量特性随流量的变化，而空化特性则由施加的声压脉动和可见云观测来定义。2.1. 调查的配置实例该研究检查了几种试点研究中调查的地理特征的影响[18]决定了特征的选择。这些都是有系统地选择的，根据特征的类型可以分为三组。首先，圆柱形转子销根据销的数量（8，12）而变化&Fig. 1. RGHC器械类型按所用空化生成机制分类。凹窝转子鼓（A）[9]和盘[10]、带径向间隙的锯齿盘（C，D）[12，13]、带轴向间隙的锯齿盘（E，F）[14J. 戈斯蒂沙湾希罗克湾Bizjan等人工程科学与技术，国际期刊38（2023）1013233-16）和销直径（4mm、5mm、6.5mm）。在变型中，具有布置的销的分度圆被设置为对于转子为70mm的直径，对于定子为55mm的直径在所有9种配置中使用具有15个直径为5 mm的销的定子其次，转子和定子销之间的间隙距离以0.25、1.75和4.25 mm的值变化，并且添加了没有定子的实例该组中唯一不同的特征是定子盘分度圆直径，其值为50、55和58 mm。最后，研究了各种非圆柱形转子销为了允许与圆柱形销进行比较，除了NACA箔使用6.5mm的横截面之外， 所有描述的配置都在图中示出。 2（注意用箭头标记的旋转方向）。2.2. 实验装置由于转子-定子实例的数量相当大，它们的设计方式允许简单的为了研究所描述的空化和水力特性的实例，设计并建造了一个新的RGHC，以满足空化发生区域的可视化和压力测量由于2.5D转子-定子几何形状，预期良好的可视化使用透明盖以允许观察RGHC外壳，并且使用长的直入口管以避免阻挡观察。新设计的RGHC如图所示。3.第三章。使用具有AKD-P00606控制器的Kollmorgen AKM 42 J伺服电机来驱动RGHC。选择伺服电机是因为其集成的旋转编码器，它允许非常准确，负载无关的旋转频率调整。还提供了与电机是科尔摩根软件，其用于控制电机并记录RMS电流，RMS电流可用于通过转矩常数计算转矩。选择了转速高达8000 rpm、功率为1.5 kW的电机。电机通过动力传动装置与RGHC转子连接，动力传动装置包括一个带有两个轴承的外壳和一个通过波纹管联轴器与电机连接的轴。另一方面，RGHC转子固定在轴上，RGHC壳体安装在动力传输单元壳体上。RGHC内置于图中所示的闭环系统测试装置中。 4，带有5升储液器和Walter Stauffenberg精密节流阀，DV 16 IR型。该阀用于在RGHC的高压侧对系统进行节流，以改变工作点并模拟真实系统中发生的负载。尽管该系统相对较小，但由于流体动力学效率低，预计会获得高能量增益，从而导致流体温度显著升高。使用储液器中的冷却热交换器盘管，使处理过的流体的温度保持恒定（图1）。 4 - 4）并 连接 到 Poly- science Durach ill CA 03 冷 却器 ，其 具 有±0.1 ° 的温度稳定性和在 10 °C - 20 °C 下 0.94- 1.28kW 的冷却能力。实验的要求，以描述水动力学-RGHC的动力学和能量特性决定了测量设备的选择。使用EndressHauser 2600 T 266 DSH初始压力变送器测量RGHC上的压头，测量范围为2400绝对压力变送器的测量范围为0.7± 0.075% MR ， 根 据 发 送 器 使 用 年 限 调 整 0.1% 。 使 用 ABBProcessMaster FEP 610 DN 10电磁流量计测量流量，测量范围为0电机驱动器和软件用于记录轴扭矩并计算功率。图二.研究了三组转子-定子结构的几何变化：1 -转子销数量和直径变化，2 -转子-定子间隙距离变化，3 -转子销形状变化。J. 戈斯蒂沙湾希罗克湾Bizjan等人工程科学与技术，国际期刊38（2023）1013234图三. 新设计和建造的RGHC与伴随的动力传输和伺服电机的分解图。图四、RGHC的3D视图（左）和带有标记组件的测量装置的示意图（右）。13. 实验设计设计了17种转静组合体的实验，研究了它们在宽工作范围内的水动力特性和三种工况下的空化特性。研究的第一部分包括水动力和能量特性的测量，而第二部分包括空化的表征。在相同的旋转频率和流速下测试每个3.1. 水动力特性为了评估每种配置的流体动力学特性，在10个操作点中测量每种配置相对于流量的压力和能量特性。旋转速度设定为7000 RPM，操作点设定为使用RGHC出口处的节流阀进行设置。从视觉上看，17个转子-定子特性曲线很难比较，因此选择流速为8、16和24 l/min的3个工作点进行比较。空化数是工作点的函数，因为它取决于吸入侧压力、蒸发压力和旋转速度。后两者是恒定的，吸入侧压力是流量和吸入侧管道摩擦系数的函数。虽然该系数是入口管的材料属性，但空化数直接且仅取决于流量。由于研究中仅改变了转子和定子，而管道不变，因此在每个操作点处，比较配置的空化数相同。3.2. 空化特性研究的第二部分旨在确定每种转子-定子配置在3种运行工况下的汽蚀条件J. 戈斯蒂沙湾希罗克湾Bizjan等人工程科学与技术，国际期刊38（2023）1013235×X1¼;i平场·;corr描述的条件该研究的目的是确定和量化空化产生和云脱落的主要机制。为此，使用水听器记录的声压时间为了研究云动力学对气压脉动的影响，采用了同步观测的方法。将压力时间序列转换到频域，以确定对波动动力学的主要贡献。RMS值用于比较相互实例和操作点。 水听器和摄像机的位置如图所示。 五、将照相机与转子轴线对准并定位成在转子盘的平面中捕获图像调整视角以覆盖大的感兴趣区域，从而允许记录针路径的长的、连续的时间序列，但不能太宽以保持高图像分辨率并允许空化云与背景的清晰分离转子销的跟踪路径应尽可能长，以便研究由于转子-定子-销相互作用而引起的预期低频波动转子-定子区域的空泡云384 256 px使用高速相机FASTCAM SA -Z，类型2100 K-M-64 GB与12位灰度传感器。漫射和均匀照明被用来实现高对比度和良好的视觉分离的云从背景。原始高速视频材料在补充数据中提供。使用TeledyneReson TC 4013水听器和EC 6081水听器记录声压发射。使用NationalInstruments NI 9174 cDAQ底盘和NI 9222 DAQ卡采集来自前置放大器的信号，并以300 kS/s采样。图像和压力采集与来自相机的触发信号同步，该触发信号由相同的DAQ卡采集并使用Labview中创建的软件记录。图像处理算法图像处理采用Labview中使用IMAQ VI库编写的自行开发的算法进行。在执行云识别算法之前，先将图像变换到旋转坐标系。图像的在销后面的部分被提取并且围绕盘旋转的中心旋转，在与盘旋转相反的方向上具有相同的旋转速度。这是由于伺服驱动器具有极高的旋转频率精度和稳定性以及内置的精密旋转编码器。编码器的分辨率为20位，精度为0.6弧分，在反馈回路中连接到驱动控制器，确保设定转速的精度超过0.01%。该变换消除了针的相对旋转运动，使得云动力学的描述与圆盘的旋转无关。图6示出了空化云的图像变换和识别的示例。该算法已被应用于相同的参数的所有情况下的问题，并发现，以提供准确的结果，基于在定性评估上，识别的云轮廓覆盖在原始捕获图像上，如图6所示。在补充数据中提供每个配置实例的经处理的图像序列。在图像变换之后，按如下顺序应用算法1. 起始点表示修剪到大头针后面的区域并变换到旋转参考帧中的原始捕获图像，进一步表示为A1。2. 屏蔽感兴趣区域-屏蔽3. 背景图像通过多个图像平均计算（约3000张图像），并使用平场校正VI[21]从处理后的图像中减去，其中平均图像用作平场图像：NA AN1AAi-A暗场·中位A平场-A暗场平场- 暗场其中Acorr是校正图像，Ai是输入图像。暗场图像暗场是捕获传感器中的暗电流的图像，平场图像平场是图像强度分布图像，并且校正因子k是用于偏置校正图像的亮度的常数。对于计算，图五. 摄像机和水听器定位示意图。J. 戈斯蒂沙湾希罗克湾Bizjan等人工程科学与技术，国际期刊38（2023）1013236×¼-×PA6 7 67Gx¼4mmH见图6。图像变换和算法识别空化云的示例。所覆盖的照相机镜头用作暗场图像，并且使用校正因子1。4. 边缘检测滤波器使用Sobel方法[22]，默认阈值为（0）。Sobel算子基于在水平和垂直方向上用小的、可分离的和整数值滤波器卷积图像在数学上，该算子使用与原始图像卷积的两个33核来计算导数–对于源图像A，图像Gx和Gy在每个像素处包含2þ10- 1321þ2þ1320- 25ωA和Gy<$40 0 05ωA;þ10 - 1个我是说第二个是局部流体动力学与空化现象的关系。最后一部分从流体力学和空化特性方面对转静叶型进行了4.1. 整体水动力特性测量了每个转子-定子配置的压力和能量特性。特性曲线表示压头、能量和入口压力作为流速的函数。压头代表差压变送器测量的差值（图4中标记为D p）。为了获得入口压力，测量的压差低于RGHC出口绝对压力变送器测量的值。调整后的功率PA表示机械轴功率，减少了驱动器的损失，这主要是由于机械密封的摩擦损失而增加的其中 * 运算符表示2维卷积信号pro。切辛坐标系的原点设置为坐标系的左上角，x方向定义为向右增加，y方向向下增加。每个图像像素都可以表示为梯度幅度，组合得到的梯度：G<$qG2G2高达263 W。入口压力计算为p in p sD p （图4）。为了更好的视觉表示，在压力和调节功率值上拟合线性曲线，并在入口压力值上叠加二阶多项式曲线。8针6.5 mm实例的特性示例如图8所示，其余特性在补充数据中提供。x y测量的特性表现出以下典型特征：离心式压滤机，能耗与流量5. 在阈值条件“大于0”下对图像进行二值化6. 利用形态学中的补洞算子对云内的孔洞进行补洞。空化云被视为一个统一的实体，因为只有总云面积被发现相关。7. 移除粒子滤波器VI[21]用于移除云的小部分，并对图像应用默认的3个侵蚀中的2个。8. 初始图像与识别的云轮廓重叠，以定性地评估算法确定的云形状的准确性。（图2）6和7-7）。在所有的操作条件下，重叠的云面积被发现是在一个很好的协议与原始图像中的可见区域4. 结果和讨论研究结果分三个部分。第一个是致力于整体水动力特性测量的结果率压头是泵送能力的直接量度，而消耗的能量被转换成输送液体的流体动力学能量或以各种方式耗散，如在这种情况下通过空化产生。为了说明，图1中的RGHC实例的流体动力学效率g1/4Dp·V_。 8在较低流速下约为5%，在较高流速下约为15%，而其余的一部分能量通过诸如湍流和空化的机制消散。重要的是要注意，RGHC的预期主要效果是空化，而压头不是。离心泵压力特性的线性曲线形状与典型的二阶多项式形状的偏差主要是由于转子的形状。这些销与典型的离心泵叶片不同，后者形成叶片间通道，其中损失与流量的平方成比例【23】。此外，众所周知，泵的压力特性在气穴开始时突然下降，并且所发展的气穴存在于RGHC的整个操作范围内。J. 戈斯蒂沙湾希罗克湾Bizjan等人工程科学与技术，国际期刊38（2023）1013237qv2见图7。云检测算法序列。0 -初始图像; 1 -掩蔽; 2 -背景减除; 3 - Sobel边缘检测; 4 -二值化; 5 -填充孔过滤器; 6-粒子去除过滤器; 7 -云轮廓叠加。见图8。 8针6.5 mm压力和调整后的功率特性（左）和入口压力曲线（右）。入口压力仅取决于入口管道中的压降，该压降与速度的平方成比例，摩擦系数[23]。 虽然系数与材料特性有关，但压力与流速成正比。较高的流速导致入口管道中较高的压降，从而导致RGHC入口处较低的压力。在转子-定子变化期间，入口管道保持完整，并且每个操作点处所有配置实例的入口压力和空化数也保持完整。空化数的计算公式为： 是入口压力pv是20 °C时的水蒸发压力（2339 Pa）。恒温是通过严格的温度控制与冷却器和交换器在水库。速度v计算为销 的周向速度v/dpdn其中d是销的分度圆直径，n是转子的转速，因此r与销的形状无关。如表1所列，发现空化数为不会受到高压侧节流的显著影响另一个对局部流动条件特性很重要的无量纲参数是雷诺数，定义为Re=vSq/l，其中v是销钉圆周速度，S是特征速度。理想的针尺寸和l = 0.001 Pa·s是20 °C时的水粘度。在在圆形针的情况下，S等于针的直径。对于非-表1三个工作点与流量、入口压力和伴随的空化数。流速[l/min]81624入口压力[kPa]空化数-0.50.299-2.00.295-3.50.290圆形销，S等于5 mm，NACA销除外，其中考虑S= 6.5 mm。这意味着仅使用了三种不同的特征销尺寸，即4mm、5mm和5mm。相应的雷诺数分别为1.03 × 105、1.28 × 105和1.67 × 105。因此，在所有的操作条件下，在销区域的空化流是高度湍流。4.2. 局部空化特性利用水听器记录的声压发射和空化现象的高速可视化来描述局部空化特性。RGHC运行参数对空化和其他流动特性的影响，使用水听器记录的压力时间序列（每个1s长）流量节流对功率谱形状没有明显影响，表明该装置具有鲁棒性，适合安装在具有增加的流体动力学负载的系统研究的第一个参数是6.5 mm直径圆销的转子销数图9显示了8、12和16个销的转子的相应功率谱（FFT）在光谱中可以看到几个明显的振幅峰第一离散峰值出现在116.7 Hz处，并且由于转子的旋转而产生，因为它与转子的7000 RPM的旋转速度一致对于8、12和16针的实例，类似的突出峰值分别出现在933、1400和1866 Hz的针通频率处，并且对应于通过水听器的转子针的频率（旋转频率乘以针的数量）。在8和16引脚实例中，第二引脚通过谐波在1866和3732 Hz处可见。对于所有情况，除了没有定子的情况，由于空化，J. 戈斯蒂沙湾希罗克湾Bizjan等人工程科学与技术，国际期刊38（2023）1013238D图9.第九条。具有8、12和16个引脚的6.5 mm引脚实例和不具有定子的实例的功率谱转子销后卡门涡列中的云脱落，其被转子和定子的相互作用放大。如Gostiša等人[18]所述，转子-定子通道施加的脱落频率可能优于自然发生的脱落频率（即，自由流动中的气缸）。难以识别起作用的定子特征，因为有15个相对较大的定子销，这些定子销显著缩窄了流动路径，并且没有观察到相应的频率。尽管如此，没有定子的实例与其他实例的显著不同之处在于总体波动较低，而仅可见放大的旋转和销通频率。在8针情况下，在547和2412 Hz处观察到明显的峰值，这不能归因于与设定旋转频率相结合的几何特征，也不能归因于涡旋脱落，因为峰值非常窄。这可能是由于壳体腔室的显著共振频率，这将在未来的研究中通过改变腔室的体积来研究。然而，使用同步成像研究了放大的频率及其与空化相关现象的相关性。压力时间序列和空泡云面积的典型例子如图所示。 10个。如销盘RGHC[20]的数值研究所示，空化的结果是复杂的虽然一些动态特征可归因于几何特征和旋转频率，但还有其他特征（例如547 Hz）可与空化云分离和塌陷的动态相关联。一个典型的云的形成、增长和分离的过程在图10（更多示例参考补充数据中的视频）。用高速相机观察的区域大约是腔室的四分之一，这阻碍了记录更长的云面积时间序列，并且使得难以直接关联云面积和声压时间序列。尽管如此，在给定的频率下，云平均值和547 Hz正弦曲线有很强的重叠，这将云的坍缩和增加的压力波动联系起来此外，在2.4 kHz处出现增加的频谱峰值，这对压力时间序列的形状有很大影响，如图10中的时间序列比较所示。后者是由于在几个转子销后面同时发生的多个云爆发这一现象对一些在[20]中观察到的程度，并将使用更宽的视角进行进一步的实验研究，以捕获整个腔室的动态。运动圆柱体上旋涡脱落的基本机制是卡门假设St = 0.2的Strouhal数（在雷诺数的大范围内出现的典型值），直径为6.5 mm的销钉近尾流中的脱落频率fs¼St·v可估计为992 Hz【25】。请注意，该频率是一个粗略估计，可能与实际脱落频率相差±10这是由于斯特劳哈尔数的未知精确值以及流过销的水流还具有尚未测量的径向速度分量的事实。由于估计的脱落频率也接近933 Hz的销通过频率，这可能是其在频谱中不可见为明显峰值的原因。然而，正如我们在之前的研究[18]中所观察到的，转子-定子相互作用可以使附着的空化云崩溃的频率和强度高于纯卡门脱落机制（即，没有转子-定子相互作用的影响）。如需更好的表示，请参见补充资料中的相关可视化数据。在本研究中也是这种情况，因为当定子被移除时，所有谱峰具有低得多的幅度。此外，在没有定子的布置中，500和1500 Hz之间的宽带噪声似乎要少得多，其中谱峰预计由强制涡流脱落（由转子-定子相互作用引起）引起。这些结果证实了定子在钉扎圆盘反应器中产生强烈流体动力空化的关键作用。另一个显著影响空化动力学的设计参数是转子销的形状（图11）。无论在针的形状中，放大的离散旋转频率及其二次谐波分别在116.7Hz和234Hz处可见。此外，8销转子的转子通道的离散峰值出现在933 Hz处，并且1866 Hz处的二次谐波被模糊但也可见。然而，在500Hz区域中的频谱的形状在很大程度上取决于引脚的形状。与其他销形状相似，圆形和三角形销产生更高的光谱响应，包括最可能与空化云动力学和转子-定子相互作用相关的几个峰值。90°尖的心形和三角形针具有类似的形状J. 戈斯蒂沙湾希罗克湾Bizjan等人工程科学与技术，国际期刊38（2023）1013239图10个。水听器压力（黑色连续曲线）和空泡云面积（彩色曲线代表连续云）的同步时间序列见图11。 引脚形状变化实例的功率谱。因此表现出类似的光谱响应。在NACA 0500的情况下，空泡云的动力学明显较低，如在500 Hz附近的频带中没有峰值所示。4.3. 转子-定子配置实例比较在转静叶型对比中本节中的结果提供了三种不同的水流速（表1中提供了相应的空化数和入口压力）。5. 压头和功耗正如离心式涡轮机所预期的那样，随着节流的增加（降低的流速），压头增加，功耗降低。尽管空化元件不类似于泵叶片的几何形状，但是产生压头的能力是显著的。查看图12中的曲线图，可以观察到以下趋势：？ 如第4.1节所示，在所有情况下，压头与销的数量和直径成比例。尽管圆柱形销用作较差的泵叶片，但是数量和直径的增加导致与流体接触的表面积的增加，这允许机械能到流体动力能的更大功耗与引脚的数量和直径成比例的事实也表明了这一点。J. 戈斯蒂沙湾希罗克湾Bizjan等人工程科学与技术，国际期刊38（2023）10132310见图12。 压头（左）和调整后的功率消耗（右）实例-工作点比较。？最高压头和泵送能力是通过70°三角形销实现的，其中空化元件成形为等腰三角形，与销分割圆的切线成70°角。该实例形状最接近于通常在离心泵叶轮上发现此外，可以改变三角形的高度和斜率以满足期望的压力要求。？NACA 05000具有最低的压头和最低的能耗，这是由于翼型的阻力系数最低。？定子可视为节流元件，降低了压头，增加了能耗。这一点在没有定子的情况下最为明显，其中压头比8针6.5 mm的情况高约15%，能耗比8针6.5 mm的情况低约25%，1.75 mm间隙。随着间隙距离的缩短，压头呈下降趋势。定子设计特点有待于进一步研究。6. 压力波动如前一章和[20，24，25]所示，压力波动与空化起始高度相关。因此，用有效压力值比较了三个工况点的空化程度，如图所示。 13岁与试验研究【18】一样，在高压侧节流不会导致有利的空化条件的情况下，可以看出，有效压力随着节流的增加而减小。然而，节流并没有显著抑制有效压力，表明RGHC的鲁棒性，这是在设计系统中的装置时要考虑的重要信息。关于几何特性对有效压力值的影响，可以得出以下结论：？较大的销直径导致较大的压力波动，从而导致较高的有效压力值。也就是说，根据流体动力学阻力定律FD= 0.5qcDAv2，较大的横截面积导致A在空化元件的前侧和后侧之间产生较高的阻力FD（作用在较大面积上的销两端的压力差）。因此，水听器测量的有效压力值增加。？针数越多，有效压力值越低。之前在试验和数值研究中发现了类似的结果[19，21]，其中具有更多销的试验装置导致较低的化学需氧量（COD）降低，并且数值结果显示较低的空化程度和有效压力值。在数值研究[21]中，空化云的阻碍发展归因于空化元件下游的低压尾流区减少，这防止了云的伸长和脱落。？最大有效压力值由倾斜70°的三角形销和8个直径为6.5 mm的销施加。它们各自的特征在于在空化方面特别具有攻击性，如高压波动所示。图十三. 有效压力值实例-工作点比较。J. 戈斯蒂沙湾希罗克湾Bizjan等人工程科学与技术，国际期刊38（2023）10132311a1a2a3？无静叶结构的有效压力最低。因此，定子是RGHC的关键元件之一，其引起所需的波动并实现侵蚀性空化条件。？据发现，缩短转子-定子间隙差增加了RMS压力值到一定程度。有效压力值在4.25 mm间隙的情况下最低，而在1.75 mm间隙的情况下比在0.25 mm间隙的情况下高，表明存在最佳间隙距离。7. 水汽云特征使用第3.2.1章中介绍的算法确定蒸汽云的面积为了比较每个转子-定子实例的云特性标准偏差显示了云面积大小的变化，较高的值被认为是有利的，并表明更积极的空化（将进一步研究污染样品），而云的面积平均值表明空化的总体程度。甚至在查看条形图趋势之前，就观察到云面积的标准偏差与有效压力值的显著相似性，表明云脱落对压力变化的显著相互影响压力和空化动力学的高度相关性使得声压测量成为在许多情况下评估空化程度的有效工具，其中可视化是不可能的（见图1）。 14）。空泡云面积的标准偏差显示出与有效压力相似的趋势：？随着高压侧节流的增加，云区偏差减小，？云区偏差随针数的增加而减小，？随着转子-定子间隙的减小，云区偏差增大？性能良好的实例三角尖70°，8针6.5 mm，8针5 mm，4 mm针，16针，NACA 0500和无定子配置的性能较差云面积随着针直径的增大而增大，随着针数的增大而减小，引脚编号似乎具有显著的减小效果。较高销数的空化抑制效果与[20]的发现一致，其将空化产生的机制归因于移动销后面的低压尾流。当引脚放置得太靠近彼此时，由于销钉后面的面积很小，不太可能产生低压尾流，并且气穴的发生程度要小得多，动力学也弱得多（没有云的伸长和塌陷）。无论销直径如何，所有16个销实例均观察到这一点在钝三角形中观察到最高的平均云面积平均值，这是由于在前三角形面后面恒定存在空化云，如图15所示。尽管云的存在时间较长，但与8针6.5 mm和三角形尖70 °的情况相比，波动较低（见图1）。 14）。8. RGHC积分参数为了量化我们在前面章节中的观察结果，通过拟合测量数据对以下与RGHC性能相关的积分参数- 水听器压力的均方根值（pRMS），- 平均空泡云面积（AAVE），- 空泡云面积的标准偏差（ASTD）。这些参数通过幂律拟合来建模，以根据等式（1）拟合其测量值。（1）：C¼a0·N·d·Q1其中，C是感兴趣的建模参数（上述三个参数中的任何一个），N是数量，d分别是转子销的直径，Q是水的体积流速。N、d和Q为自变量，pRMS、AVE和ASTD与之拟合。通过执行最小二乘幂律拟合，获得以下模型：pRMS¼0： 589·N-0：379·d0： 326·Q0： 118·2cmAAVE¼167·N-1：658·d0： 171·Q 0： 1923ASTD¼89： 2·N-1：175·d-0：161·Q 0： 180× 4cm图15.钝三角形转子销后面的典型气穴结构，在较长时间内存在，波动不大。图14. 空泡云平均面积（左）和标准差（右）实例-工作点比较。J. 戈斯蒂沙湾希罗克湾Bizjan等人工程科学与技术，国际期刊38（2023）10132312-图16. PRMS、 AAVE和ASTD回归模型。在Eqs中的拟合优度（2）、（3）和（4）可以从图1中的图中评估。图16示出了测量的参数值和建模的参数值的比较。由于每个模型中的一些离群值，R2值相对较低，尽管大多数预测值与测量值的偏差不超过15%，但仍具有合理的良好一致性。因此，Eqs. （2）正如这些方程所示，并与我们之前对测量的积分RGHC参数的评论一致，随着转子销数量的增加，与（pRMS、AAVE和ASTD）成比例的空化强度迅速降低（注意较大的a1特别是光学测量的局部空化云面积（即，在单个引脚上观察到的）及其标准偏差（分别为Δ VE和ΔSTD）与引脚的数量具有很强的负相关性。这可能是由于密集分布的销钉阻碍了流场和低压尾流。当N足够小时，每个销钉在自由流场中运动，销钉上的空化强度可以达到最大。应进一步研究N= 8之间的减少，并确定AAVE和ASTD开始减少的数量。pRMS的指数a1值仅为0.379，而AAVE和ASTD的指数a1值超过1.1，这一事实表明，用水听器测量的压力波动仅部分由空化结构的崩溃引起，同时也来自其他重要来源，例如转子销通过定子销时的间歇间隙流。所施加压力的丰富动态是所有转子和定子销同时相互作用的结果。相对于针直径，pRMS和AAVE略有增加随着转子-定子间隙变小，D1也表示由间隙流引起的更强烈的空化和更大的压力波动然而，观察到ASTD降低，可能是由于总体较大的云面积和体积使得蒸汽结构的部分塌陷不太明显（尽管不一定不那么有效，如pRMS按比例d0.171增加的趋势所示）。最后，液体流速似乎对空化强度也有轻微的积极影响，因为所有三个相关参数（pRMS、AAVE和ASTD）都随Q增加，这与之前提到的高压侧节流的小影响一致这与空化数减少一致（表1）。话虽如此，与所有模型中的销的数量相比，销直径和液体流速具有不太显著的空化强度效应（等式10）。(2)- （4）。这在云面积回归模型的情况下最好地看出（方程10）。（3）和（4），其中模型指数a1（表示N）比指数a2和a3大一个数量级（分别去除d和Q9. 结论对针盘旋转式水力空化发生器进行了多参数研究，转子-定子设计的几何特征在各种操作条件下的影响。在转子销直径、转子销数量和形状以及转子与定子销之间的距离3种工况下，对17个具有以下特性的转子-定子实例进行了研究。在试验台上进行了水力性能和空化条件的评估，其中测量了压力和能量特性，并通过同时可视化和压力波动测量来描述空化。开发了一种空泡云检测算法，并在所有研究实例上运行（约100%）。2.5百万帧）来确定空泡云面积的时间序列，并结合声压及其功率谱来解释空泡的产生机理和脉动动力学。对于大多数情况下，放大的峰值出现在旋转和引脚通过频率，而500和1000 Hz之间的更宽的放大带只出现在空化的情况下。的8引脚6.5毫米直径的情况下脱颖而出的离散频率547赫兹的频率与云层塌陷有关。相比之下，NACA 0500情况和没有定子的情况的特征在于由于没有空化而导致的非常弱的光谱响应。同时采集的压力和空化云图像不能直接相关，这是由于不仅由相机的视平面中的水听器附近的云塌陷的动力学引起的压力场的复杂性，而且遍及整个腔室。原始成像数据和处理后的销孔序列可在补充资料中获得。相互实例比较是基于压头、功耗、声压均方根值p空泡云面积均方根平均值AAVE及其标准差ASTD。结果表明，空化度ASTD与所施加的pRMS值之间存在显著的相关性，表明水听器测压是一种有效的空化监测工具比较后，确定了针的数量、直径和形状的影响1. 较高的销钉数目对空泡云的发展、伸长和塌陷具有抑制作用，这是由于销钉后面没有形成低压尾流的空间。2. 较高的销直径对空化程度和泵送能力具有有利的影响，但以较高的功率消耗为代价发现4 mm针的实例不适合，发现6.5 mm针的实例最适合进一步研究。3. 发现圆柱形和三角形尖70°销是有利的，而其他销如钝三角形、心形和特别是NACA 0500销被发现是不利的。三角形长度和倾角对水动力性能的影响值得进一步研究.使用回归模型对流量、转子销直径和转子销数量的影响进行了量化，该模型显示了dom-J. 戈斯蒂沙湾希罗克湾Bizjan等人工程科学与技术，国际期刊38（2023）10132313在AVE和ASTD回归模型的情况下，针数的影响比针直径和流速大约10倍发现定子和转子-定子距离起重要作用，因为与其他情况相比，没有定子的情况导致显著较低的有趣的是，转子-定子间隙距离的缩短仅在一定距离内增强空化云的波动，而在1.75 mm距离处测得的pRMS值高于0.25 mm距离处测得的根据研究结果，进一步的工作将被导向与污染的液体样品的实验，以评估在几何和操作性能方面的效率。此外，额外的几何特性，如转子销的数量低于8，定子销的数量和直径，以及住房室的体积将使用本研究中开发的pRMS，AAVE和ASTD评估工具进行调查竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。确认作者感谢卢布尔雅那大学在UL创新基金内提供的财政支持，感谢欧洲研究委员会（ERC）在欧盟研究和创新框架计划“地平线2020”下提供的财政支持。（赠款协议编号771567 - CABUM）和斯洛文尼亚研究机构（研究项目编号J2-3057、L7-3184和J7-2601，研究核心资金编号P2-0401和P2-0422）。附录A.补充数据本文的补充数据可在https://doi.org/10.1016/j.jestch.2022.101323上找到。引用[1] F.J. 西蒙斯岛，智-地Xagoraraki，Release of infectious human enteric viruses byfull-scale wastewater utilities，Water Res. 45 （12）（2011）3590-3598，https：//doi. org/10.1016/j.watres.2011.04.001。[2] F. Barancheshme和M.穆尼尔，Microbiol. 2018年8月8日，访问：Aug.2022年12月[联机]。可用：https://ww
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