空化與空蝕在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用
2013-05-30 04:52:44黃剛雷吳迪辛毅
黃剛雷 吳迪 辛毅
【摘 要】隨著現(xiàn)代水利機向大型化，高速化發(fā)展，空化空蝕越來越引起人們的關(guān)注，我們在研究如何規(guī)避空化空蝕危害的同時，還應(yīng)看到空化空蝕有利的一面，空化現(xiàn)在已經(jīng)在清洗，破碎、切割，水處理，湖泊凈化等方面發(fā)揮著巨大的作用。本文主要介紹了空化的機理以及空化在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】空化機；清洗水；處理破碎
0.前言
空化與空蝕是自然界中客觀存在的一種物理現(xiàn)象，廣泛存在于水利機械中。由于壓力的變化而導致的液流內(nèi)空泡的產(chǎn)生、發(fā)展和潰滅過程以及由此產(chǎn)生的一系列物理和化學變化被稱之為空化，當空化發(fā)生在固體表面，破壞固體材料就形成空蝕。
[1]1912年，在英國萬噸級海輪上，發(fā)現(xiàn)海輪的低速原動機被高速原動機替代后只能航行很短的時間，其螺旋槳已經(jīng)被空蝕的不能繼續(xù)航行，差不多同時，德國和瑞典也都報道了水輪機被空蝕破壞的事情。早在1753年Euler就注意到水管中某處的壓強若降低到負值時，水就會與管壁分離，形成一個真空空間。1839年Besant及1873年Beyonlds開始在實驗室對空化進行研究。
1.空化產(chǎn)生的機理
1.1空化初生
空化初生是空化在局部壓力降至臨近液體飽和蒸汽壓力的瞬間完成的。純水能承受張力，但實際自然界中的水不能承受拉力，如果水能承受1Mpa拉應(yīng)力，根本就不會發(fā)生空化。這種差別可以用“空化核”理論解釋，液體中存在著破壞液體均勻性的雜質(zhì)，改變了液體的結(jié)構(gòu)，削弱了液體的抗拉強度，從而為空化的產(chǎn)生提供了條件。
1.2空泡的發(fā)育與潰滅
隨著液體壓力的降低，液體中汽核開始形成汽泡，當壓力繼續(xù)降低時，汽泡在隨著流動的過程中不斷長大，當進入壓力升高的區(qū)域時，汽泡則不斷縮小而潰滅，這是一個復雜的動態(tài)過程。
1.3空蝕
空泡的潰滅過程如果發(fā)生在固體表面，從小空泡潰滅中心輻射出沖擊壓力波會使材料受到破壞，這種由空化作用引起材料的破壞被稱為空蝕。當然，關(guān)于空蝕的解釋還有其他理論，如熱力學作用，電化學作用等等。
2.空化空蝕在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用
2.1在清洗方面的應(yīng)用
對于清洗我們會有很多方法，有化學清洗，超聲波清洗以及新興起的高壓水射流清洗等。空化清洗主要是利用空化射流來實現(xiàn)的，即通過設(shè)計特定的噴嘴來誘發(fā)空化的產(chǎn)生，從而利用空泡破滅時產(chǎn)生的沖擊力來去除固體表面的污垢。雖然空化射流和高壓水射流在清洗方面均有可靠、節(jié)能、安全、環(huán)保、高效等優(yōu)點，但其作用機理完全和高壓水射流不同。高壓水射流是利用高速水流的沖擊力來進行清洗的，然而空化射流則依靠流束中大量的空化汽泡在固體表面潰滅而產(chǎn)生密集射流沖擊作用來達到清洗目的的。[2]相比于高壓水射流，空化射流不會產(chǎn)生特別大的沖擊力，從而可以保護被清洗物體的防腐層，并且從清洗效率方面來講，以清洗船舶相同平面為例，高壓水射流效率約為100m2/h，而空化射流的效率為130m2/h。所以現(xiàn)在空化射流清洗技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海洋設(shè)施的清洗，主要案例有：
（1）海洋石油結(jié)構(gòu)物清洗（2）海底石油設(shè)施的清洗（3）海洋船舶的清洗（4）海岸工程清洗等，當然空化射流清洗技術(shù)也在清洗飛機跑道方面得到了很好的應(yīng)用，并且取得了非常滿意的效果。
2.2在保護環(huán)境，凈化湖泊中的應(yīng)用
我國是一個湖泊眾多的國家，大于1km2的天然湖泊有2300余個，湖泊面積為70988km2，大約占全國陸地面積的0.8%。隨著改革開放，城市化進程的不斷推進，農(nóng)藥化肥和大量含磷洗滌劑的使用，大量未經(jīng)處理的城市生活污水、工業(yè)廢水排入江河湖泊中，導致江河湖泊的水體富營養(yǎng)化日趨嚴重，水污染問題已經(jīng)嚴重制約我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。
傳統(tǒng)的治理江河湖泊的方法有[3]（1）控制污染源，減少污水的排放；（2）在水面中種植高等植物等生物治理法，讓植物在水中生長、吸收氮、磷等營養(yǎng)鹽，同時植物的根系對水中懸浮物的吸附也有凈化作用；（3）采用清淤挖泥的方法；（4）采取引水沖污的方法稀釋水中的氮、磷等營養(yǎng)鹽和藻類的濃度。
空化治理營養(yǎng)化水的機理：（1）直接熱分解，空化產(chǎn)生的熱汽泡內(nèi)熱點溫度5200k左右，汽泡壁面上的溫度約為1900k，泡內(nèi)壓力約為500Mpa，這樣的條件下可以直接殺死細菌、浮游生物；（2）自由基氧化，空泡潰滅時水發(fā)生裂解，水中局部產(chǎn)生有高濃度的氧化劑如OH 和H2O2，他們能直接氧化水中的化學污染物；（3）超臨界水氧化，水體中空化區(qū)域存在著局部超臨界水，超臨界水具有強氧化能力，可以處理有害有機物。所以可以看出空化法治理具有方便、簡單、高效等優(yōu)點。
2.3在破碎、鉆井方面的應(yīng)用
空化現(xiàn)象發(fā)生會產(chǎn)生很大的脈沖壓力，射流沖向巖石表面時有時是液體沖擊巖石，有時是空泡沖擊巖石，由于沖擊物的質(zhì)量波動，造成巖石表面壓強波動，導致巖石在瞬時拉應(yīng)力的作用下破壞和交變應(yīng)力作用下疲勞損壞，所以空化射流可以大大提高射流對巖石的破碎和切割能力，除了很好的破碎作用外，空化射流破碎還具有安全的特點，特別適合在易燃、易爆的環(huán)境下使用?？栈淞髌扑殂@井有如下優(yōu)勢：空化射流掘進機是利用空化射流輔助技術(shù)對巖石進行破碎，以往的破碎技術(shù)，刀具容易破壞，更換頻率高，影響工作進度。研究表明，在空化射流輔助掘進時，材料耗能成本每平米比以往降低34.5%。傳統(tǒng)的炮式巷道掘進會產(chǎn)生很多煙塵，使工人作業(yè)的環(huán)境粉塵濃度極高，這不僅加大了開采的難度，阻礙開采進度，更重要的是威脅著工人的健康。研究表明工作面采用空化射流輔助掘進大大減少了環(huán)境中粉塵濃度，僅為普通鑿巖的18.5%。因此，空化射流技術(shù)在改善環(huán)境，保障工人的健康等方面具有其突出的功效。
2.4水處理方面的應(yīng)用
[4]空化射流特別適合處理乳化含油廢水，劉峰、朱南文、王亞林等人研究了不同廢水含油濃度、不同表面活性劑含量、不同射流空化強度以及不同油滴粒徑與除油率的關(guān)系，實驗結(jié)果表明：在空化系數(shù)為0.121的空化強度下，高濃度含油廢水經(jīng)過一次射流空化處理后，去除率可達85%；經(jīng)過三次處理后去除率大于95%，達到二級排放標準。
3.結(jié)束語
長期以來人們都在研究如何規(guī)避空化危害的措施，很少有人認識到空化背后可以為我們所用的東西，隨著人們對空化機理認識的深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)空化的巨大價值，空化已經(jīng)被越來越多的應(yīng)用在我們的生產(chǎn)、生活中。在清洗，破碎，水處理等方面有其獨特的優(yōu)勢，相信空化會有更加廣泛的應(yīng)用前景。
【參考文獻】
[1]楊詩成，王喜魁.泵與風機（第四版）[M].中國電力出版社，2012.
[2]夏寶瑩，劉望，鄭金豹，黃皓，崔健.空化射流清洗技術(shù)及其在水下設(shè)施清洗中的應(yīng)用[J].油氣儲運，2011.
[3]廖振芳，陳德淑，鄧曉剛.利用空化射流清洗湖泊[J].清洗世界，2004.
[4]李健.空化射流技術(shù)在水處理中的應(yīng)用[J].科技信息，2011.
