水力空化技術(shù)及其對(duì)壓載水的預(yù)處理

劉 亮 陳黃騫 呂 偉

（上海海事大學(xué) 商船學(xué)院 上海201306）

0 引 言

1753年歐拉（Euler）指出［1］：“水管中某處的壓強(qiáng)若降到負(fù)值時(shí)，水即自管壁分離，而該處將形成一個(gè)真空空間，這種現(xiàn)象應(yīng)予以避免”。19世紀(jì)后半葉，隨著蒸汽機(jī)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(huì)使航行速度下降，1873年雷諾曾解釋這種現(xiàn)象是因?yàn)楫?dāng)螺旋槳上壓強(qiáng)降低到真空時(shí)吸入空氣所致［2］。1897年巴納比和帕森斯在英國“果敢”號(hào)魚雷艇和幾艘蒸汽機(jī)船相繼發(fā)生螺旋槳效率嚴(yán)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(duì)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)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(kuò)展到了其他行業(yè)，比如像水力機(jī)械，水木建筑等領(lǐng)域中。起初學(xué)者們研究空化的最主要目的是為了避免產(chǎn)生空化，進(jìn)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(xué)者們?cè)谒栈夹g(shù)研究領(lǐng)域提供了理論上的指導(dǎo)。

隨著人們對(duì)空化技術(shù)理論知識(shí)的進(jìn)一步研究和探討，人們逐漸開始意識(shí)到空化技術(shù)不是只會(huì)帶來負(fù)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(shí)產(chǎn)生的高聚能量當(dāng)作一種對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的能量輸入的方法，并取得了很大的進(jìn)展［4］。在實(shí)驗(yàn)室里，研究人員利用空化產(chǎn)生的超高溫高壓來促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，殺滅廢水的細(xì)菌等等，但是超聲空化很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化［5］，于是研究人員逐漸轉(zhuǎn)移研究方向進(jìn)而研究另外一種空化技術(shù)，即水力空化技術(shù)。

在機(jī)械生產(chǎn)和日常生活當(dāng)中經(jīng)常會(huì)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(jī)械裝置和液流通道（如水泵，水輪機(jī)等），都有可能會(huì)發(fā)生空化和空蝕現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)室研究當(dāng)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(gè)半徑聚變的管路時(shí)，由于節(jié)流作用會(huì)產(chǎn)生壓力降低，而當(dāng)壓力降到液體飽和壓力一下時(shí)，流體中原來溶解的氣體就會(huì)釋放出來，甚至?xí)幸徊糠忠后w因?yàn)閴毫档偷木壒识a(chǎn)生大量空泡，空泡又跟隨液體向下流動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到某處環(huán)境壓力增大時(shí)，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(shí)，在該空泡破裂處會(huì)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(gè)區(qū)域，由于壓力和溫度的變化而產(chǎn)生汽化進(jìn)而出現(xiàn)含汽型空泡（稱之為含汽空泡），或者在壓力變化時(shí)本來溶解在流體中的氣體因?yàn)闅饣霈F(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(huì)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(gè)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(duì)壓力）和流體速度。通常取p∞為物體前方未擾動(dòng)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(gè)主要特點(diǎn)［6］：空化數(shù)與管中流體速度獨(dú)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(shí)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(gè)方面意義［7］：

（1）空化初生和用來衡量空化強(qiáng)度；當(dāng)流場(chǎng)內(nèi)的最低壓力達(dá)到空泡不穩(wěn)定的臨界壓力時(shí)，空化現(xiàn)象就會(huì)首先發(fā)生在該處，此時(shí)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(duì)空化破壞的抵抗能力；各種水力機(jī)械均有相對(duì)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(qiáng)；

（3）用來衡量不同流場(chǎng)中空化現(xiàn)象的相似性；在Re數(shù)、Fr數(shù)、We數(shù)等相似準(zhǔn)數(shù)相等的情況下，如果兩種流動(dòng)狀態(tài)的空化數(shù)相等，即可認(rèn)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(gè)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?？栈瘮?shù)進(jìn)一步降低到出現(xiàn)大量的空化泡，有大團(tuán)白霧狀；

（4）超空化?？栈莅l(fā)展的最后階段，壓力降至極低，最后隨著壓力的恢復(fù)空泡潰滅。

關(guān)于為何空化泡在潰滅的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生非常高的能量，目前在學(xué)術(shù)界還沒有一個(gè)公認(rèn)的且較權(quán)威的解釋。現(xiàn)將多個(gè)空泡視為泡群來研究，對(duì)空泡群潰滅過程有以下幾個(gè)模型［9］：

（1）單個(gè)空化泡滅的沖擊波疊加成1個(gè)單個(gè)的高強(qiáng)度的破壞性沖擊波；

（2）多個(gè)空化泡同時(shí)發(fā)生潰滅構(gòu)成一個(gè)巨大的沖擊波；

（3）基于能量傳遞的觀點(diǎn)。潰滅的空泡將能量傳遞給未破裂的，外部空泡的破裂導(dǎo)致其周圍局部壓力增加，這個(gè)壓力使其內(nèi)部空泡破裂。因此，單個(gè)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(shí)的情形。

2 空化誘導(dǎo)細(xì)胞破裂的機(jī)理

關(guān)于空化導(dǎo)致細(xì)胞破裂的一些機(jī)理曾被研究過。Engler和 Robinson［10］通過高壓均質(zhì)機(jī)試驗(yàn)表明，對(duì)懸浮細(xì)胞的固定表面進(jìn)行高速噴射撞擊對(duì)有效的破壞細(xì)胞壁是相當(dāng)必要的。Keshavarz等人［11］對(duì)于高壓均質(zhì)機(jī)對(duì)細(xì)胞破裂的影響因素提出了相類似的機(jī)理?；诳栈辜?xì)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(xì)胞破碎的主要原因。Doulah［13］則認(rèn)為空化誘導(dǎo)細(xì)胞破裂的機(jī)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(dǎo)致的流體旋渦。當(dāng)流體渦旋比細(xì)胞尺寸小的時(shí)候，將會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生各種程度的沖擊。如果當(dāng)動(dòng)能總和超過細(xì)胞壁強(qiáng)度時(shí)，細(xì)胞就會(huì)分解。

盡管上述大部分關(guān)于細(xì)胞破裂的機(jī)理表明是由于空化的作用，但是其確切的作用機(jī)制卻是非常不同的。鑒于目前試驗(yàn)技術(shù)的不足，在實(shí)際系統(tǒng)中還做不到在如此短的時(shí)間和如此細(xì)微的空間進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和觀察，所以很難斷定哪一種機(jī)理是對(duì)的。細(xì)胞破裂的機(jī)理也有可能是由于多種因素的同時(shí)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(dòng)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(dāng)液體通過孔板時(shí)，由于受到孔板的阻流作用，液體的流速劇增、壓力劇減；當(dāng)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(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量的空化泡（位置2處）；隨后液體噴射擴(kuò)張，壓力值恢復(fù)（位置3處），空穴瞬間破滅，產(chǎn)生瞬時(shí)高溫和瞬時(shí)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(shí)驗(yàn)過程中，孔板10是可拆卸的。當(dāng)測(cè)試閥門在一定開度下產(chǎn)生水力空化而滅活海藻時(shí)，孔板10是拆卸掉的；當(dāng)測(cè)試孔板產(chǎn)生水力空化而滅活海藻時(shí)，閥門8全部打開；當(dāng)測(cè)試離心泵對(duì)海藻的滅活性能時(shí)閥門8關(guān)閉，閥6全開。對(duì)水力空化強(qiáng)度的控制主要是通過改變孔板設(shè)計(jì)（孔徑，孔數(shù)，孔位置等）來實(shí)現(xiàn)的。試驗(yàn)開始前于水槽1中取起始水樣；實(shí)驗(yàn)過程需記錄海水溫度、流量計(jì)讀數(shù)以及差壓計(jì)讀數(shù)，同時(shí)于管路出口2和3處取水樣并編號(hào)；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)所取水樣進(jìn)行處理，測(cè)量出個(gè)水樣中的海藻濃度并計(jì)算出海藻滅活率，并通過壓差計(jì)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(jìn)孔板設(shè)計(jì)，結(jié)合能量損失情況，找到一個(gè)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(gè)剛剛起步的階段，所以不論在理論上還是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)一步研究和探討；

（3）水力空化裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行操作規(guī)范還沒有一個(gè)公認(rèn)的方案，研制水力空化裝置的工作尚需要做進(jìn)一步的探索；

（4）實(shí)驗(yàn)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(jì)放大方面尚待進(jìn)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(jì)、流體的溫度、液體中含氣量和氣核初始大小等等。同時(shí)，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(shí)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(shí)驗(yàn)探索。

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