2003年12月化學(xué)工業(yè)與工程第20卷第6期Dec 2003CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING專題綜述水力空化及應(yīng)用武君,張曉冬,劉學(xué)武,夏遠(yuǎn)景,李志義(大連理工大學(xué)流體與粉體工程研究設(shè)計所,遼寧大連16012)摘要;本文對水力空化現(xiàn)象進(jìn)行了較全面的綜迷,包括空化的產(chǎn)生、發(fā)展及漬滅的過程,給出空泡潰滅時的三種模型假設(shè),并提出把空泡潰滅時產(chǎn)生的高壓高溫條件作為種能量輸入的方法用在化學(xué)反應(yīng)過程等領(lǐng)域,介紹了水力空化裝置及應(yīng)用前景等,并對空化及空蝕的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了初步探討,對進(jìn)一步深入研究空化現(xiàn)象及應(yīng)用有定的參考作用。關(guān)鍵詞:空化;流體流動;空泡;潰滅中圖分類號:0352.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1004-9533(2003)06-0387-05Hydrodynamic Cavitation and Its ApplicationsWU Jun, ZHANG Xiao-dong, LIU Xue-wu, XIA Yuan-jing, LI Zhi- yi(R&D Institute of Fluid and Powder Engineening, Dalian University of technology, Liaoning Dalian 116012, China)Abstract: The hydrodynamic cavitation phenomenon included inception, development and thecollapse of the hydrodynamic cavitation has been reviewed. Three models have been proposed toexplain the cavity collapse. The high pressure and temperature which the collapsed cavitiesgenerated can be used as a method of energy imput. The paper also includes that the hydrodynamic equipment and the applications. This is important for the further researchKey words: cavitation; fluid now; bulb; collapse早在1753年, Euler注意到,當(dāng)水管中某空化可產(chǎn)生的種種不利影響,例如在泵中處的壓強(qiáng)若降低至蒸汽壓甚至到負(fù)值時,水產(chǎn)生的空蝕,它是由靠近固體表處的空泡漬即自管壁分離并在該處形成一個真空空間,滅時產(chǎn)生的高速液體射流沖擊所造成的通常人們將這種現(xiàn)象稱為空化。其后,發(fā)現(xiàn)與此同時,人們也在思考如何利用這種現(xiàn)象。收稿日期:2002-11-1作者簡介:武君(1979-),女,河北邯鄲人,在讀碩士,主要從事過程的空化強(qiáng)化研究化學(xué)工業(yè)與工程003年12月最初人們利用超聲波發(fā)生裝置來產(chǎn)生空化,就會首先在該處發(fā)生,這里的空化數(shù)稱為臨并把空化現(xiàn)象中空泡潰滅時產(chǎn)生的高聚能量界空化數(shù)或初生空化數(shù);2)可以描述設(shè)備對作為一種對化學(xué)反應(yīng)過程的能量輸入的方空化破壞的抵抗能力。各種水利機(jī)構(gòu)都有相法,已取得了很大進(jìn)展2。在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi),應(yīng)的C值,C值越低,說明空化所需的壓力研究人員利用空化所產(chǎn)生的局部超高溫和超將越大,該設(shè)備抵抗空化破壞的能力越強(qiáng);3)高壓來促進(jìn)化學(xué)反應(yīng),表面除垢等。超聲空衡量不同流場空化現(xiàn)象的相似性。在Re大弊端是難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。人們開數(shù),F數(shù),We數(shù)等相似準(zhǔn)數(shù)相等的情況下另一種產(chǎn)生空化的方法,即水力空化。當(dāng)兩種流動狀態(tài)的空化數(shù)相等時,可以認(rèn)為水力空化現(xiàn)象發(fā)生在很多場合,例如在有其空化現(xiàn)象也相似管徑急劇變化的管道中,水力機(jī)械中等。在研1.2空化的發(fā)展究中,水力空化現(xiàn)象通常這樣實(shí)現(xiàn):流體流過空化發(fā)生的過程可以分為以下幾個階一個限流區(qū)域(如幾何孔板文丘里管等)時產(chǎn)段6。初始空化:在初始空化階段,只有極微生壓降,當(dāng)壓力降至蒸汽壓甚至負(fù)壓時溶解小的氣泡出現(xiàn),邊界層也沒有明顯的分離現(xiàn)在流體中的氣體會釋放出來同時流體汽化而象;片狀空化:這時空化數(shù)降低開始出現(xiàn)連續(xù)產(chǎn)生大量空化泡空泡在隨流體進(jìn)一步流動的氣相,從外形上看,片狀空化像手指;云狀空過程中,遇到周圍的壓力增大時,體積將急劇化:空化數(shù)進(jìn)一步降低,出現(xiàn)大量空化泡,有縮小直至潰滅。空泡潰滅過程發(fā)生的瞬間(微大團(tuán)白霧狀;超空化:它是空化泡發(fā)展的最后秒級)會產(chǎn)生極高的壓強(qiáng)和溫度。階段,壓力降至極低。最后隨著壓力的恢復(fù)空泡漬滅空化的產(chǎn)生及發(fā)展空泡潰滅是一個極其復(fù)雜的物理過程,至于為何在潰滅時能夠產(chǎn)生如此高的能量,1.1空化數(shù)目前尚缺乏較權(quán)威的解釋,將多個空化泡視空化數(shù)是描述空化初生和空狀態(tài)的一個為泡群來研究,至今對空泡群潰滅過程有如重要參數(shù),其定義為下幾個模型”:單個空化泡潰滅的沖擊波疊C;=(P2-P、)5pob加成一個單個的高強(qiáng)度的破壞性沖擊波;多個空化泡同時發(fā)生潰滅構(gòu)成一個巨大的沖擊式中,P2—流體的恢復(fù)壓力,P波;基于能量傳遞的觀點(diǎn),潰滅的空泡將能量蒸汽壓力,P—流體的密度,—限流區(qū)傳遞給未破裂的。外部空泡的破裂導(dǎo)致其周域的平均流速。圍局部壓力增加,這個壓力使其內(nèi)部空泡破空化數(shù)主要有以下幾個特點(diǎn):空化數(shù)裂。因此,單個空泡的潛在破壞性或漬滅壓與管中的流體速度是獨(dú)立的,和孔的尺寸有力沿空化群中心逐漸增加。第三種模型更適定的關(guān)系;空化數(shù)隨R(B=d/D,d是限流于解釋現(xiàn)有的空泡潰滅時的情形。蔡悅斌區(qū)域的直徑,D是管徑)線性增加;實(shí)際的空等研究發(fā)現(xiàn),在柔性和剛性壁面附近,空化化現(xiàn)象一般發(fā)生在空化數(shù)為1至2.5之間,泡的潰滅形態(tài)也是不同的。在自由液面附隨著空化數(shù)的減小,空化越發(fā)劇烈。近,空化泡與自由液面的相互作用是很明顯空化數(shù)有以下幾個方面的意義3。1)空的,當(dāng)泡潰滅時,泡面有加速射流形成,自由化初生和衡量空化強(qiáng)度。當(dāng)流場內(nèi)的最低壓液面有顯著的突起,泡心下移,有遠(yuǎn)離自由面力達(dá)到空泡不穩(wěn)定的臨界壓力時,空化現(xiàn)象之趨勢。在固壁面附近,空化泡在潰滅時將第20卷第6期武君等:水力空化及應(yīng)用形成柱狀射流,射流方向指向壁面,泡心下解,而可能還保持氣相狀態(tài)。移,有靠近固壁面之趨勢,同時泡離壁面較遠(yuǎn)形成的射流較強(qiáng)因?yàn)榇藭r泡的射流形成較3湍流與空化現(xiàn)象完整,能量可集中于射流部分。距離近時,壁面阻礙了泡的射流發(fā)展?？梢娫谂蓦x固壁面空化現(xiàn)象伴有湍流。在通常的水力空化遠(yuǎn)時流體將緩和射流沖擊,破壞作用反而現(xiàn)象中,產(chǎn)生的是小振幅、高頻率的壓力脈小,近時破壞作用要大一些這一點(diǎn)可以解釋沖。而在超聲空化現(xiàn)象中,產(chǎn)生的壓力是短空泡對固體表面的剝蝕現(xiàn)象。暫的而更劇烈。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),若增大水力空化中的湍流條件,它的空化特點(diǎn)更類似于超聲2空化機(jī)理?xiàng)l件下所產(chǎn)生的現(xiàn)象,所以有人就提出這樣的設(shè)想,即設(shè)計一種用于超聲化學(xué)的水力空固體壁面的空蝕破壞機(jī)理有機(jī)械作用、化反應(yīng)器,該反應(yīng)器具備兩種空化反應(yīng)的特化學(xué)腐蝕作用、電化學(xué)作用和熱作用等幾種點(diǎn):水力空化裝置結(jié)構(gòu)簡單和易控制,又有超情況。李根生認(rèn)為,過流壁面產(chǎn)生空蝕破聲空化高強(qiáng)度壓力的產(chǎn)生。這樣的空化效果壞是由于空泡破滅時產(chǎn)生微射流和沖擊波的只需要改變水力空化模型的湍流強(qiáng)度即可。作用所至。 Hammitt通過計算和實(shí)測得出游移型空泡潰滅時近壁處微射流速度可達(dá)4水力空化裝置70m/s-180m/s,在物體表面產(chǎn)生的沖擊力可高達(dá)140MPa~170MPa,微射流直徑約為2m研究所使用的水力空化裝置流程如圖1-3pm,表面受到微射流沖擊次數(shù)越為100次所示。該裝置為一閉路系統(tǒng),水槽內(nèi)放置反(cm)-10次/(scm),沖擊脈沖作用應(yīng)物,經(jīng)水泵將反應(yīng)物打人管道中進(jìn)行反應(yīng)。時間每次只有幾微秒。這樣高的沖擊作用將直接破壞物體表面而形成凹坑,較小沖擊力我們以碘化鉀分解為例為具體說明實(shí)驗(yàn)裝置的反復(fù)作用將引起物體表面的疲勞破壞?；慕⑦^程。按照流量大小選擇合適的水泵、管路及孔板。該裝置中有兩條管路,旁路學(xué)腐蝕作用與機(jī)械空蝕作用相互促進(jìn),空蝕加速腐蝕,腐蝕也加速空蝕,兩者綜合作用造用來調(diào)節(jié)主管道的反應(yīng)速率等過程參數(shù)。在成更嚴(yán)重的損壞。另外在空泡潰滅時的高設(shè)計時,要使裝置為可調(diào)。溫高壓作用下,金屬晶粒間形成熱電偶,冷熱端間的電位差對金屬表面起電解作用,從而導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕。高溫也會使金屬達(dá)到熔點(diǎn),會使局部強(qiáng)度降低而破壞。關(guān)于空化產(chǎn)生機(jī)理,由于液體結(jié)構(gòu)還不十分清楚,目前尚無明顯的理論說明。有些學(xué)者提出過某些假設(shè),比較能為人們接受的是哈維的穩(wěn)定空泡核子機(jī)理假說0。哈維認(rèn)為,未溶解的氣核可存在于憎水性的固體1——水泵;2—針形閥;368—球閥;4縫隙中,因?yàn)樵谶@樣的情況下,表面張力將孔板;5—反應(yīng)段;7——水槽著減小壓力的作用,因而氣體并不是被迫溶圖1水力空化裝置流程390化學(xué)工與工程2003年12月反應(yīng)物用蒸餾水制備百分之一的碘化鉀力,如壓力,剪切力等。在水力空化的細(xì)胞裂溶液,在反應(yīng)過程中調(diào)節(jié)閥門2控制壓力,用解中究竟是哪種力起主導(dǎo)作用有待進(jìn)一步探冷卻裝置維持反應(yīng)物的溫度在36℃左右。討。反應(yīng)結(jié)束后,試樣用UvvS的分光光度計在目前制漿工業(yè)是水力空化重要的工業(yè)應(yīng)355m處對碘的吸收率測定濃度用領(lǐng)域,木漿精煉中的能量消耗占總能量的對水力空化反應(yīng)器的控制主要通過改變13。水力空化應(yīng)用到制漿中,纖維受到空泡孔徑和管徑的比率,改變恢復(fù)壓力P2,壓力潰滅時產(chǎn)生的微射流沖擊,而不是傳統(tǒng)方法恢復(fù)速率,進(jìn)口壓力,空化數(shù)等參數(shù)都可以中所受到的壓力,這就大大地節(jié)約了能量控制水力空化反應(yīng)器的輸出,以適應(yīng)各種不同的物理和化學(xué)過程。就碘化鉀分解來說,6結(jié)束語需找到一個最佳的進(jìn)口壓力,以使空化現(xiàn)象對這個反應(yīng)的影響最大,即使其效率為最高。長期以來,人們企圖避免和緩解水力空化所帶來的危害。近年來人們已認(rèn)識到,水5水力空化的應(yīng)用力空化也可以造福于人類。利用水力空化間集聚的高能量,開發(fā)出不少節(jié)能、高效的物人們在應(yīng)用水力空化時,更多的是把它理化學(xué)過程。已有的實(shí)驗(yàn)研究包括了油脂水作為一種能量輸人方式。比如可以利用空泡解細(xì)胞襲解及木漿精煉等。初步的試驗(yàn)研潰滅時產(chǎn)生的高溫高壓促進(jìn)化學(xué)反應(yīng),如:水究就充分展示出水力空化工藝簡單、節(jié)能、解反應(yīng)速率、細(xì)胞分裂速率等。應(yīng)用前景廣闊。然而,要廣泛應(yīng)用于生產(chǎn),尚傳統(tǒng)的油脂水解過程通常需要蒸汽和水有許多工作要做。的溫度高達(dá)20℃-30℃,壓力高達(dá)03MPa參考文獻(xiàn):-15MP. Pandit等人山研究了水和蓖麻油與紅花油的水力空化水解過程,空化裝置與1]蔡悅斌,魯傳敬,何友聲瞬態(tài)空化泡的成長圖1類似。反應(yīng)物是不同濃度的水油混合與潰滅[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展,1995,10物,水解的程度靠酸值來檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表(6):653-660,明,對于同樣的水解程度,水力空化的能量消[2] PANDIT A B, MOHOLKAR V S. Hamess cavita-improve processing[ J].Chemical Engi-耗比傳統(tǒng)方法要低很多?？梢钥闯?水力空neering Progress, 1996, 7: 57-69化的能量利用率更高,生產(chǎn)規(guī)模可更大。[3] PANDIT A B, KUMAR PS, KUMARM S.Im-在細(xì)胞裂解實(shí)驗(yàn)中,傳統(tǒng)的方法是利prove reaction with hydrodynamic cavitation[J]用高壓反應(yīng)器能量輸入高,但真正用在裂解Chemical Engineering Progres, 1999,5: 43-50過程中的能量只占總量的5%-10%,剩下[4] MOHOLKAR V S, KUMAR P S, PANDIT A B的大部分能量是以熱量的形式散發(fā)出去。Hydrodynamic cavitation for sonochemical effectsPandit等人利用水力空化裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[J]. Ultrasoricsonochemistry, 1999, 6: 53-65發(fā)現(xiàn)能量消耗只需要原來的5%-10%[51 HAMMIT F G. Cavitation and multiphase nowphenomena[ M]. New York: Mc Graw-Hill Book量利用大大提高。但是同時也產(chǎn)生了許多問題:空泡潰滅時產(chǎn)生的高壓和高溫能否使從[6】wANc,ANCs,wEs,el. Dynamics of細(xì)胞中分離出來的蛋白質(zhì)和酶失活;在細(xì)胞attached turbulent cavitating flows[ I]. Progess in流過限流區(qū)域的時候,空泡周圍會產(chǎn)生許多erospace Science, 2001, 37(4): 551-581第20卷第6期武君等:水力空化及應(yīng)用7] KUMAR P S PANDIT A B. Modeling hydrodyna-[10」高秋生.對液體空化機(jī)理的進(jìn)一步探討[J]neering Technolo-河海大學(xué)學(xué)報,199,27(5):63-6799,22(12):1017-1027111] KUMAR PS, KUMAR M S, PANDIT A BEx[8] YAN Y, THORPE P B. Flow regime transitionsperimental quantification of chemical effects ofdue to cavitation in the flow through an crifice[J]hydrodynamic cavitations[J]. Chemical EngineerInt J Multiphase Flow, 1990, 16(6): 1023-ing Science,2000,55(9):1633-16390412[9]李根生沈曉明,施立德,等空化和空蝕機(jī)理及其影響因素[].石油大學(xué)學(xué)報,1997,2lIence,1993,48(19):3440-342(上接第318頁)參考文獻(xiàn):[4] SHARP K, MATTSON G, JONSSON S. 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