Удосконалення конструкції кавітаційного апарата за результатами моделювання гідродинамічних параметрів потоку

Abstract

Вітенько Д.О. Удосконалення конструкції кавітаційного апарата за результатами моделювання гідродинамічних параметрів потоку. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії галузі знань 13 Механічна інженерія за спеціальністю 133 галузеве машинобудування. Тернопільський національний університет імені Івана Пулюя МОН України, м. Тернопіль, 2026 р. У дисертаційній роботі вирішено нове науково-практичне завдання удосконалення конструкції кавітаційного апарата статичного типу на основі результатів моделювання гідродинамічних параметрів потоку з метою підвищення інтенсивності та енергоефективності кавітаційної обробки технологічних середовищ. У дисертаційному дослідженні було поставлено такі завдання. Виконано аналіз сучасних досліджень, присвячених застосуванню гідродинамічної кавітації у виробництві, підходам до моделювання кавітаційних течій та конструктивним рішенням апаратів по типу труби Вентурі. На основі аналізу існуючих конструкцій кавітаційних апаратів запропоновано удосконалену геометрію внутрішнього каналу та вставок, що підлягали дослідженню. Створено тривимірні (3D) геометричні моделі досліджуваних конфігурацій апарата та задано розрахункові області для моделювання. Обґрунтовано постановку моделі, що включала вибір фізичних припущень, граничних умов, параметрів дискретизації та кавітаційної моделі для течії нестисливої робочої рідини. Виконано чисельні розрахунки в SolidWorks Flow Simulation (2019-2020) для обраних конструктивних варіантів та отримано розподіли тиску, швидкості й об’ємної частки парової фази. Проаналізовано вплив геометрії внутрішнього каналу (діаметр горловини, форма і положення вставок) на гідродинамічні параметри потоку та кавітаційні характеристики (локалізацію і протяжність двофазної зони, об’єм парової фази, гідравлічні втрати). Виконано валідацію результатів чисельного моделювання за 3 експериментальними даними (перепад тиску, витрата, візуальні ознаки двофазності). Проведено прикладні експериментальні дослідження щодо ефективності удосконалених конструкцій на реальних об’єктах (гомогенізація молока, зміна фізико-хімічних параметрів води) та виконано порівняння ефективності досліджуваних конфігурацій апарата. На основі отриманих результатів сформульовано інженерні рекомендації щодо застосування кавітаційних апаратів у промисловості. Об’єктом дослідження є конструкція кавітаційного апарата статичного типу зі змінною геометрією проточної частини на базі труби Вентурі. Предметом дослідження є закономірності впливу конструктивної конфігурації проточної частини апарата на гідродинамічні параметри та фазовий склад потоку, встановлені шляхом чисельного моделювання, що складають наукову основу для оцінки ефективності конструктивних модифікацій та енергодоцільності кавітаційного обладнання Результати проведених теоретичних та експериментальних досліджень дали змогу обґрунтувати удосконалену конструкцію кавітаційного апарата та розробити комплекс практичних рішень для впровадження запропонованих модифікацій у виробництво, зокрема критерії вибору модифікацій за показниками інтегральної двофазності та питомої енергоефективності η∗. Розроблено інженерні рекомендації щодо удосконалення вузла карбонізації лінії солодких напоїв для Тернопільської пивоварні «Опілля» та модульної компоновки кавітаційних апаратів для гомогенізації молока. З огляду на це вперше реалізовано та апробовано CFD-модель кавітаційної течії для удосконаленого статичного кавітаційного апарата на основі 3D CAD- моделей конфігурацій внутрішнього каналу (базова, з конусною або шнековою вставками). Встановлено вплив конфігурації проточної частини апарата на розподіл тисків, швидкостей, об’ємної частки пари та протяжності двофазної ділянки, що забезпечило коректне порівняння запропонованих модифікацій. 4 Удосконалено метод порівняльного аналізу та вибору конфігурацій шляхом застосування інтегральної оцінки двофазності за сумарним об’ємом парової фази і показником питомої кавітаційної ефективності. Набули подальшого розвитку закономірності гідродинаміки в кавітаційних апаратах по типу труби Вентурі, що дозволяють прогнозувати ділянки максимальної активності парової фази залежно від геометрії внутрішнього каналу. У першому розділі дисертаційної роботи здійснено аналіз і узагальнення науково-технічних джерел, присвячених гідродинамічній кавітації та конструкціям кавітаційних апаратів проточного типу. Систематизовано фізичні передумови ініціювання й розвитку кавітації у звужувально-розширювальних каналах, а також критерії, які застосовують для порівняння апаратів за інтенсивністю кавітаційних проявів та гідравлічними характеристиками. Розглянуто механізми кавітаційної дії на технологічні об’єкти та чинники, що визначають реалізацію технологічного ефекту. Проаналізовано підходи до математичного й чисельного опису кавітаційних течій, зокрема моделі динаміки бульбашки, емпіричні залежності та CFD-постановки кавітації як двофазної течії з фазовим переходом, і окреслено їхні можливості та обмеження в задачах дослідження гідродинаміки, фізики кавітації та інженерного зіставлення статичних апаратів проточного типу. За результатами огляду сформовано вихідні положення для вибору об’єкта та методики дослідження, обґрунтовано постановку мети й визначено завдання дисертаційної роботи. У другому розділі дисертаційної роботи наведено об’єкти та методику досліджень і визначено вихідні положення для подальшого аналізу гідродинамічних і кавітаційних характеристик удосконаленого кавітаційного апарата. Задано геометрію внутрішнього каналу апарата та обґрунтовано прийняті конструктивні зміни. Обґрунтовано застосування CFD-моделювання в середовищі SolidWorks Flow Simulation (EDU 2019-2020) із використанням двопараметричної моделі турбулентності k -ε та однорідної рівноважної моделі суміші “рідина-пара” 5 (HEM, equilibrium). Показано, що прийнята постановка є достатньою для інженерних задач порівняння геометрій внутрішнього каналу статичних апаратів. У межах HEM критерій кавітації (утворення парової фази) задавали умовою p<pv(T) з використанням об’ємної частки пари α та залежностей для усереднених властивостей суміші ρ(α) і μ(α). Наведено методи оцінювання технологічного ефекту обробки середовищ за показниками дисперсності та фізико-хімічних властивостей. У третьому розділі дисертаційної роботи виконано постановку чисельної задачі та реалізовано CFD-модель для аналізу потоку в досліджуваному апараті на основі розрахункової моделі кавітаційної течії, обґрунтованої в розділі 2. Отримано розподіли тиску, швидкості та об’ємної частки парової фази для досліджуваних конфігурацій і сформовано масиви даних на основі яких проведено їхнє порівняння. Запропоновано підхід до визначення інтегральних характеристик двофазності через розрахунок об’єму парової фази з урахуванням змінної площі поперечного перерізу внутрішнього каналу. На основі отриманих результатів виконано порівняльний аналіз конфігурацій за локальними та інтегральними показниками двофазної зони. Адекватність результатів моделювання гідродинамічних параметрів течії та розрахунку кавітаційних характеристик підтверджено експериментальними даними та візуальними спостереженнями. У четвертому розділі дисертаційної роботи виконано енергетично- кавітаційну оцінку досліджуваних конфігурацій кавітаційного апарата та здійснено порівняння розрахункових гідродинамічних параметрів з експериментальними. Витрати енергії оцінювали за перепадом тиску в апараті , а кавітаційний результат за об’ємом парової фази в робочому об’ємі. На основі аналізу отриманих даних запропоновано показник питомої кавітаційної ефективності, що визначає питомі енерговитрати на одиницю об’єму парової фази та забезпечує порівняння конфігурацій. Встановлено, що застосування вставок у внутрішньому каналі змінює співвідношення між інтенсивністю формування двофазної структури та 6 гідравлічними втратами, унаслідок чого питома кавітаційна ефективність може як зростати, так і зменшуватися порівняно з базовою конфігурацією. Експериментальну перевірку технологічного застосування різних модифікацій кавітаційного апарата виконано на прикладі гомогенізації молока, яку оцінювали за показниками дисперсності жирової фази за даними цифрової мікроскопії. Показано, що модифіковані конфігурації забезпечують різний ступінь диспергування жирових глобул. Виконано порівняння технологічної доцільності запропонованих модифікацій апарата. Досліджено зміну pH та електропровідності води як індикаторів фізико-хімічних перетворень під впливом кавітаційних ефектів та встановлено залежність цих змін від конфігурації апарата. У п’ятому розділі дисертаційної роботи розроблено та обґрунтовано інженерні рішення практичного використання удосконаленої конструкції проточного кавітаційного апарата в харчовій галузі. Для промислового вузла карбонізації напоїв на базі труби Вентурі виконано аналіз базової конструкції та встановлено її обмеження щодо формування необхідного зниження статичного тиску в зоні введення CO₂. Запропоновано модернізацію карбонізатора шляхом встановлення конусної вставки з тангенційними канавками з метою інтенсифікації диспергування CO₂ та масообміну. Виконано розрахунок удосконаленого карбонізатора за заданими технологічними параметрами для лінії карбонізації солодких напоїв для Тернопільської пивоварні «Опілля» де й використовуються отримані результати. Розроблено компоновку кавітаційного модуля гомогенізації молока для невеликих ферм. Розраховано контрольовані режимні параметри та розроблено проєктні пропозиції. Конструкції кавітаційних апаратів захищено деклараційними патентами №160839 U та №160838 U. Отримані результати та методики використовуються у освітньому процесі Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя для викладання дисциплін “Комп’ютерний інжиніринг в експриментальній механіці” та “Технологічне обладнання харчових виробництв”. 7 Виконано розрахунок економічної доцільності запропонованих технічних рішень (економічний ефект та термін окупності). Запропоновані конструктивні рішення кавітаційного апарату захищено патентами на корисні моделі, що забезпечує правову охорону розробок і можливість їх практичного впровадження. Ключові слова: гідродинаміка, моделювання, тиск, швидкість, парова фаза, перемішування, гідравлічний опір, кавітація, гомогенізація, число кавітації, енергія, зношування, конструкція, чисельні розрахунки,апарат.

Vitenko D. O. Improving the design of a cavitation device based on modeling results for hydrodynamic flow parameters. - Qualification scientific work, manuscript. Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the Field of Study 13 Mechanical Engineering, Specialty 133 Industrial Machinery Engineering. Ternopil Ivan Puluj National Technical University, Ministry of Education and Science of Ukraine, Ternopil, Ukraine, 2026 The dissertation addresses a new scientific and applied problem, improving the design of a static hydrodynamic cavitation device by modeling hydrodynamic flow parameters to increase the intensity and energy efficiency of cavitation treatment of technological media. In the dissertation, the following tasks were set and accomplished. A review and critical analysis of current studies on the application of hydrodynamic cavitation in industrial processing, approaches to modeling cavitating flows, and design solutions for Venturi-type devices were performed. Based on the analysis of existing cavitation device designs, an improved geometry of the internal flow passage and interchangeable inserts to be investigated was proposed. Three-dimensional (3D) geometric models of the considered device configurations were developed, and computational domains were prepared for numerical simulation. The modeling framework was substantiated, including the selection of physical assumptions, boundary conditions, discretization parameters, and a cavitation model for the flow of an incompressible working fluid. Numerical simulations were carried out in SolidWorks Flow Simulation (2019-2020) for the selected design variants, yielding pressure, velocity, and vapor volume fraction distributions. The influence of the internal flow passage geometry (converging and diffuser angles, throat length and diameter, as well as the shape and position of inserts) on the hydrodynamic flow parameters and cavitation characteristics (localization and extent of the two-phase region, vapor-phase volume, and hydraulic losses) was analysed. The numerical simulation results were validated against experimental data (pressure drop, 9 flow rate, and visual indicators of two-phase flow), and the reproducibility of the computational findings for different device configurations was assessed. Experimental studies were conducted to evaluate the performance of the improved designs in real processes (milk homogenization and changes in the physicochemical parameters of water), and the effectiveness of the investigated configurations was assessed. Based on the obtained results, engineering recommendations for the industrial application of hydrodynamic cavitation devices were formulated. The object of the research is a static hydrodynamic cavitation device with a variable-geometry internal flow passage. The subject of the research comprises the hydrodynamic flow parameters (pressure and velocity distributions) and cavitation characteristics (distributions of the vapor volume fraction) for modifications of the flow passage geometry and operating conditions, as determined from numerical simulations; as well as the milk homogenization process and changes in the acidity (pH) and electrical conductivity of water. The results of the theoretical and experimental studies made it possible to substantiate an improved design for the cavitation device and to develop a set of practical solutions for implementing the proposed modifications in industrial practice. In particular, criteria were formulated for selecting design variants based on integral twophase intensity and the specific energy efficiency index η∗. Engineering recommendations were developed to improve the carbonation unit of a soft-drink production line at the Opillia Brewery (Ternopil) and to implement a modular arrangement of cavitation devices intended for milk homogenization. In this context, a CFD model of cavitating flow for the improved static cavitation device was implemented and validated for the first-time using 3D CAD models of internal flow-passage configurations (baseline, with a conical insert, and with a helical/screw insert). Under identical modeling conditions, the effect of the configuration on pressure, 10 velocity, vapor volume fraction, and the length of the two-phase region was quantified, enabling a consistent comparison of the proposed modifications. The approach to comparing configurations was improved by introducing an integral assessment of two-phase flow based on the total vapor volume and a specific cavitation efficiency indicator. Furthermore, the understanding of hydrodynamic regularities in Venturi-type cavitation devices, which govern vapor-phase formation and its localization as a function of the internal passage geometry, was further developed. In the first chapter of the dissertation, an analysis and synthesis of scientific and technical sources on hydrodynamic cavitation and the designs of flow-through cavitation devices were conducted. The physical prerequisites for the initiation and development of cavitation in converging-diverging channels were systematized, along with the criteria used to compare devices in terms of the intensity of cavitation manifestations and hydraulic characteristics. The mechanisms by which cavitation acts on technological objects and the factors determining the realization of the technological effect were considered. Approaches to the mathematical and numerical description of cavitating flows were analyzed, in particular, bubble dynamics models, empirical relationships, and CFD formulations of cavitation as a two-phase flow with phase transition. Their capabilities and limitations in problems of studying hydrodynamics, cavitation physics, and engineering comparison of static flow-through devices were outlined. Based on the review results, the initial provisions for selecting the object and research methodology were formulated, the aim was substantiated, and the objectives of the dissertation were defined. In the second chapter of the dissertation, the research objects and methodology are presented, and the initial provisions for further analysis of the hydrodynamic and cavitation characteristics of the improved cavitation device are defined. The geometry of the internal flow passage of the device is specified, and the adopted design modifications are substantiated. The use of CFD modeling in SolidWorks Flow Simulation (EDU 2019- 2020) is substantiated using the two-parameter k-ε turbulence model and the 11 homogeneous equilibrium mixture model “liquid-vapor” (HEM, equilibrium). It is shown that the adopted formulation is sufficient for engineering problems of comparing the geometries of the internal flow passage of static devices. The cavitation transition within the HEM is described by the condition p<pv(T) using the vapor volume fraction α and relationships for the averaged mixture properties ρ(α) and μ(α). Methods for evaluating the technological effect of media treatment based on indicators of dispersity and physicochemical properties are presented. In the third chapter of the dissertation, the choice of a computational model for cavitating flow is justified, and it is implemented in a CFD environment to analyze the flow in the cavitation device. Distributions of pressure, velocity, and vapor volume fraction were obtained for the investigated configurations, and data arrays were formed to enable comparison. An approach to determining integral two-phase characteristics is proposed by calculating the vapor-phase volume while accounting for the variable crosssectional area of the internal flow passage. Based on the results, a comparative analysis of the configurations was performed using local and integral indicators of the two-phase region. The adequacy of the modeling results for hydrodynamic flow parameters and for calculating cavitation characteristics is confirmed by experimental data and visual observations. In the fourth chapter of the dissertation, an energy-cavitation assessment of the investigated configurations of the cavitation device was conducted, and the computed hydrodynamic parameters were compared with experimental results. Energy consumption was evaluated by the pressure drop across the device, and the cavitation outcome was evaluated by the vapor-phase volume in the working volume. Based on the analysis of the obtained data, an indicator of specific cavitation efficiency is proposed, which quantifies the specific energy expenditure per unit volume of the vapor phase and enables comparison of configurations by a single physical attribute. It is established that the use of inserts in the internal flow passage alters the relationship between the intensity 12 of two-phase structure formation and hydraulic losses, thereby causing the specific cavitation efficiency to either increase or decrease relative to the baseline configuration. The experimental verification of the technological applicability of different modifications of the cavitation device was carried out using the example of milk homogenization, which was evaluated by the dispersity indicators of the fat phase based on digital microscopy data. It was shown that the modified configurations provide different degrees of dispersion of fat globules. A comparison of the technological feasibility of the proposed device modifications was performed. Changes in the pH and electrical conductivity of water were investigated as indicators of physicochemical transformations under the influence of cavitation effects, and the dependence of these changes on the device configuration was established. In the fifth chapter of the dissertation, engineering solutions for the practical application of the improved design of a flow-through cavitation device in the food industry were developed and substantiated. For an industrial beverage carbonation unit based on a Venturi tube, the baseline design was analyzed, and its limitations in achieving the required reduction in static pressure in the CO₂ injection zone were identified. Modernization of the carbonator by installing a conical insert with tangential grooves is proposed to intensify CO₂ dispersion and mass transfer. A calculation of the improved carbonator was performed for the specified process parameters of the soft-drink carbonation line at the Opillia Brewery in Ternopil, where the results are used. The layout of a cavitation module for milk homogenization for small farms was developed. Controlled operating parameters were calculated, and design proposals were developed. The designs of the cavitation devices are protected by utility model patents No. 160839 U and No. 160838 U. The obtained results and methods are used in the educational process of Ternopil Ivan Puluj National Technical University for teaching the courses “Computer Engineering in Experimental Mechanics” and “Technological Equipment of Food Productions”. A calculation of the economic feasibility of the proposed technical solutions (economic effect and payback period) was performed. The proposed design 13 solutions of the cavitation device are protected by utility model patents, which ensure legal protection of the developments and the possibility of their practical implementation. Keywords: hydrodynamics, modeling, pressure, velocity, vapor phase, mixing, pressure drop, cavitation, homogenization, cavitation number, energy, wear, design, numerical calculations, device.