水力空化技術(shù)及其對壓載水的預處理

劉 亮 陳黃騫 呂 偉

（上海海事大學 商船學院 上海201306）

0 引 言

1753年歐拉（Euler）指出［1］：“水管中某處的壓強若降到負值時，水即自管壁分離，而該處將形成一個真空空間，這種現(xiàn)象應(yīng)予以避免”。19世紀后半葉，隨著蒸汽機船的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)提高到一定程度反而會使航行速度下降，1873年雷諾曾解釋這種現(xiàn)象是因為當螺旋槳上壓強降低到真空時吸入空氣所致［2］。1897年巴納比和帕森斯在英國“果敢”號魚雷艇和幾艘蒸汽機船相繼發(fā)生螺旋槳效率嚴重下降事件以后，提出了“空化”的概念，并指出在液體和物體間存在高速相對運動的場合可能出現(xiàn)空化［3］。此后，由空化產(chǎn)生的種種不利影響相繼被發(fā)現(xiàn)，從而引起了人們的關(guān)注和研究。

空化問題的研究最先開始是在船舶制造行業(yè)之中，然后才相繼擴展到了其他行業(yè)，比如像水力機械，水木建筑等領(lǐng)域中。起初學者們研究空化的最主要目的是為了避免產(chǎn)生空化，進而避免空蝕的作用。雖然研究目的不同，但是他們的研究成果還是為后來學者們在水力空化技術(shù)研究領(lǐng)域提供了理論上的指導。

隨著人們對空化技術(shù)理論知識的進一步研究和探討，人們逐漸開始意識到空化技術(shù)不是只會帶來負面影響，也可以利用空化技術(shù)來造福人類。最開始人們是利用超聲波發(fā)生裝置來產(chǎn)生空化，并且把空化現(xiàn)象中空泡潰滅時產(chǎn)生的高聚能量當作一種對化學反應(yīng)過程的能量輸入的方法，并取得了很大的進展［4］。在實驗室里，研究人員利用空化產(chǎn)生的超高溫高壓來促進化學反應(yīng)，殺滅廢水的細菌等等，但是超聲空化很難實現(xiàn)工業(yè)化［5］，于是研究人員逐漸轉(zhuǎn)移研究方向進而研究另外一種空化技術(shù)，即水力空化技術(shù)。

在機械生產(chǎn)和日常生活當中經(jīng)常會出現(xiàn)水力空化現(xiàn)象，比如在船舶的螺旋槳，變徑管道中等，而且所有水力機械裝置和液流通道（如水泵，水輪機等），都有可能會發(fā)生空化和空蝕現(xiàn)象。在實驗室研究當中，通常是通過這樣的方式來產(chǎn)生水力空化的：液流流經(jīng)一個半徑聚變的管路時，由于節(jié)流作用會產(chǎn)生壓力降低，而當壓力降到液體飽和壓力一下時，流體中原來溶解的氣體就會釋放出來，甚至會有一部分液體因為壓力降低的緣故而汽化產(chǎn)生大量空泡，空泡又跟隨液體向下流動，當運動到某處環(huán)境壓力增大時，空泡體積將在瞬間縮小甚至破裂，而在空泡破裂的這一瞬時，在該空泡破裂處會產(chǎn)生極度高溫高壓。

1 空化的形成與發(fā)展

1.1 空化泡現(xiàn)象和空化數(shù)

液體流經(jīng)一個區(qū)域，由于壓力和溫度的變化而產(chǎn)生汽化進而出現(xiàn)含汽型空泡（稱之為含汽空泡），或者在壓力變化時本來溶解在流體中的氣體因為氣化而出現(xiàn)含氣或含氣與含汽混合的空泡（稱之為含氣型空泡），這種現(xiàn)象我們稱之為空化泡，一般簡稱為空化或者空泡。簡而言之，空化（空泡）就是液流中出現(xiàn)了一些空化氣泡或者空化汽泡及其發(fā)展的一種現(xiàn)象。一旦降低液流的壓力或者增大液流流經(jīng)速度、提高液體的溫度等等，都有可能會在液流中發(fā)生空化現(xiàn)象。

用來描述空化發(fā)生狀態(tài)的一個重要參數(shù)是空化數(shù)，其定義式為：

式中：p∞和V∞分別為參考流體壓力 （絕對壓力）和流體速度。通常取p∞為物體前方未擾動處液流靜壓（MPa）；V∞取與 p∞相應(yīng)的來流速度（m/s）；ρ 為液體密度（kg/m3）；pv為液體的汽化壓力（MPa）。

空化數(shù)有如下幾個主要特點［6］：空化數(shù)與管中流體速度獨立，但與孔的尺寸有關(guān)；空化數(shù)隨著β（β=d/D，d是孔徑，D是管徑）線性增減；實際的空化現(xiàn)象一般都發(fā)生在空化數(shù)為1～1.5之間，隨著空化數(shù)的減小，空化越激烈。

空化數(shù)有以下幾個方面意義［7］：

（1）空化初生和用來衡量空化強度；當流場內(nèi)的最低壓力達到空泡不穩(wěn)定的臨界壓力時，空化現(xiàn)象就會首先發(fā)生在該處，此時該處的空化數(shù)常稱為臨界空化數(shù)或者初生空化數(shù)；

（2）用來描述設(shè)備對空化破壞的抵抗能力；各種水力機械均有相對應(yīng)的σi值，σi值越低，說明其空化所需要的壓力就越大，亦說明該設(shè)備抗孔空化破壞能力越強；

（3）用來衡量不同流場中空化現(xiàn)象的相似性；在Re數(shù)、Fr數(shù)、We數(shù)等相似準數(shù)相等的情況下，如果兩種流動狀態(tài)的空化數(shù)相等，即可認為其空化現(xiàn)象也相似。

1.2 空化的發(fā)展

空化的發(fā)展過程可以分為如下幾個階段［8］：

（1）初始空化。此階段只有極微小的氣泡出現(xiàn)，邊界層也沒有明顯的分離現(xiàn)象；

（2）片狀空化。此階段空化數(shù)降低到開始出現(xiàn)連續(xù)的氣相，從外型上來看，片狀空化像手指；

（3）云狀空化。空化數(shù)進一步降低到出現(xiàn)大量的空化泡，有大團白霧狀；

（4）超空化。空化泡發(fā)展的最后階段，壓力降至極低，最后隨著壓力的恢復空泡潰滅。

關(guān)于為何空化泡在潰滅的時候會產(chǎn)生非常高的能量，目前在學術(shù)界還沒有一個公認的且較權(quán)威的解釋。現(xiàn)將多個空泡視為泡群來研究，對空泡群潰滅過程有以下幾個模型［9］：

（1）單個空化泡滅的沖擊波疊加成1個單個的高強度的破壞性沖擊波；

（2）多個空化泡同時發(fā)生潰滅構(gòu)成一個巨大的沖擊波；

（3）基于能量傳遞的觀點。潰滅的空泡將能量傳遞給未破裂的，外部空泡的破裂導致其周圍局部壓力增加，這個壓力使其內(nèi)部空泡破裂。因此，單個空泡的潛在破壞性或潰滅壓力沿空化群中心逐漸增加。第三種模型更加適合用來解釋現(xiàn)有的空泡潰滅時的情形。

2 空化誘導細胞破裂的機理

關(guān)于空化導致細胞破裂的一些機理曾被研究過。Engler和 Robinson［10］通過高壓均質(zhì)機試驗表明，對懸浮細胞的固定表面進行高速噴射撞擊對有效的破壞細胞壁是相當必要的。Keshavarz等人［11］對于高壓均質(zhì)機對細胞破裂的影響因素提出了相類似的機理。基于空化使細胞破碎的方式，Save等人［12］提出了沖擊波的說法，例如由于空穴潰裂而產(chǎn)生的壓力沖擊是細胞破碎的主要原因。Doulah［13］則認為空化誘導細胞破裂的機理是基于柯爾莫哥洛夫理論的各向同性湍流，并且分析了由氣穴潰裂導致的流體旋渦。當流體渦旋比細胞尺寸小的時候，將會對細胞產(chǎn)生各種程度的沖擊。如果當動能總和超過細胞壁強度時，細胞就會分解。

盡管上述大部分關(guān)于細胞破裂的機理表明是由于空化的作用，但是其確切的作用機制卻是非常不同的。鑒于目前試驗技術(shù)的不足，在實際系統(tǒng)中還做不到在如此短的時間和如此細微的空間進行實時的監(jiān)控和觀察，所以很難斷定哪一種機理是對的。細胞破裂的機理也有可能是由于多種因素的同時作用，比如高速射流、沖擊波等等。

3 水力空化裝置

水力空化由流動的液體經(jīng)由某一空化器（如帶孔的板）而產(chǎn)生的，原理圖如圖1所示。當液體通過孔板時，由于受到孔板的阻流作用，液體的流速劇增、壓力劇減；當壓力降至空化初生壓（一般為相應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓）時，就會產(chǎn)生大量的空化泡（位置2處）；隨后液體噴射擴張，壓力值恢復（位置3處），空穴瞬間破滅，產(chǎn)生瞬時高溫和瞬時高壓。

圖1 水力空化原理

研究所使用的水力空化裝置如圖2所示。按照流量和壓力的大小選擇合適的水泵、管路、儀表及孔板，所有管路和儀器均選用耐海水腐蝕材料。

圖2 水力空化裝置

在該裝置的水槽1中放入配置好的海水，該海水中已加入一定數(shù)量的海洋微生物（塔胞藻、易彎藻等），經(jīng)水泵5打入管道中。該裝置中有兩條管路，旁通管路用來調(diào)節(jié)主管路中的水流量及壓力。實驗過程中，孔板10是可拆卸的。當測試閥門在一定開度下產(chǎn)生水力空化而滅活海藻時，孔板10是拆卸掉的；當測試孔板產(chǎn)生水力空化而滅活海藻時，閥門8全部打開；當測試離心泵對海藻的滅活性能時閥門8關(guān)閉，閥6全開。對水力空化強度的控制主要是通過改變孔板設(shè)計（孔徑，孔數(shù)，孔位置等）來實現(xiàn)的。試驗開始前于水槽1中取起始水樣；實驗過程需記錄海水溫度、流量計讀數(shù)以及差壓計讀數(shù)，同時于管路出口2和3處取水樣并編號；實驗結(jié)束后對所取水樣進行處理，測量出個水樣中的海藻濃度并計算出海藻滅活率，并通過壓差計讀數(shù)算出水力空化過程中的能量損失情況。通過不斷改進孔板設(shè)計，結(jié)合能量損失情況，找到一個海藻滅活率較高和能量損失合理的最優(yōu)化方案。

4 存在的問題

目前在國際上利用水力空化技術(shù)處理船舶壓載水的研究還處于一個剛剛起步的階段，所以不論在理論上還是實驗設(shè)計上都存在很多不足之處：

（1）水力空化是如何作用于微生物，進而殺死微生物的，目前尚無完善的理論和權(quán)威的解釋；

（2）影響水力空化效應(yīng)的因素具有不確定性，還需研究人員做進一步研究和探討；

（3）水力空化裝置的設(shè)計參數(shù)和運行操作規(guī)范還沒有一個公認的方案，研制水力空化裝置的工作尚需要做進一步的探索；

（4）實驗研究規(guī)模較小、而船舶壓載水量較大，在水力空化裝置設(shè)計放大方面尚待進一步的研究。

5 結(jié) 語

關(guān)于水力空化技術(shù)應(yīng)用在船舶壓載水處理領(lǐng)域，其研究還處于起步階段。影響水力空化效果的因素較多，且還有很多不確定性，如孔板的設(shè)計、流體的溫度、液體中含氣量和氣核初始大小等等。同時，還要考慮到能量的損失亦不能太大，所以要將水力空化技術(shù)真正應(yīng)用到實際船舶壓載水處理上，還需要研究人員做大量的理論研究和實驗探索。

［1］Euler［M］.Historie de I’Academie Royale des Sciences et Belles Lettres，T.10，Berlin，1756.

［2］W.B.Wargan.Cavitation effects on marine devices.Trans of the ASME［J］.Vol.91，No.5，1969.

［3］中國大百科全書.力學卷.“空化”條［M］.中國大百科全書出版社，1985.

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［13］M.S.Doulah，Mechanism of biological cells in Ultrasonic cavitation［J］.Biotechnol.Bioeng.1977（XIX）：649-660.