水力空化及應用

200年12月化學(xué)工業(yè)與工程第20卷第6期Dec,2003CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEEVol 20 No 6專(zhuān)題綜述水力空化及應用武君,張曉冬,劉學(xué)武,夏遠景,李志義(大連理工大學(xué)流體與粉體工程研究設計所,遼寧大連116012)摘要:本文對水力空化現象進(jìn)行了較全面的綜述,包括空化的產(chǎn)生、發(fā)展及潰滅的過(guò)程,給出空泡潢滅時(shí)的三種模型假設,并提出把空泡潰滅時(shí)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)反應過(guò)程等領(lǐng)域,介紹了水力空化裝置及應用前景等,并對空化及空蝕的產(chǎn)生機理進(jìn)行了初步探討,對進(jìn)一步深入研究空化現象及應用有定的參考作用。關(guān)鍵詞:空化;流體流動(dòng);空泡;潰滅中圖分類(lèi)號:0352.1文獻標識碼: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 lnstitute of Fluid and Powder Engineering, Dalian University of technology, Liaoning Dalian 116012, China)collapse 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 researcKey words: cavitation; fluid now; bulb; collapse早在1753年, Euler注意到,當水管中某空化可產(chǎn)生的種種不利影響,例如在泵中處的壓強若降低至蒸汽壓甚至到負值時(shí),水產(chǎn)生的空蝕,它是由靠近固體表處的空泡潰即自管壁分離,并在該處形成一個(gè)真空空間,滅時(shí)產(chǎn)生的高速液體射流沖擊所造成的通常人們將這種現象稱(chēng)為空化。其后,發(fā)現與此同時(shí),人們也在思考如何利用這種現象收稿日期:2002-11-11作者簡(jiǎn)介:武君(1979-),女,河北邯鄲人,在讀碩士,主要從事過(guò)程的空化強化研究。中國煤化工CNMHG化學(xué)工業(yè)與工程2003年12月最初人們利用超聲波發(fā)生裝置來(lái)產(chǎn)生空化,就會(huì )首先在該處發(fā)生,這里的空化數稱(chēng)為臨并把空化現象中空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高聚能量界空化數或初生空化數;2)可以描述設備對作為一種對化學(xué)反應過(guò)程的能量輸入的方空化破壞的抵抗能力。各種水利機構都有相取得了很大進(jìn)展。在實(shí)驗室范圍內,應的C值,C值越低,說(shuō)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,該設備抵抗空化破壞的能力越強;3)高壓來(lái)促進(jìn)化學(xué)反應,表面除垢等。超聲空衡量不同流場(chǎng)空化現象的相似性。在Re化的最大弊端是難以實(shí)現工業(yè)化。人們開(kāi)數,F數,W數等相似準數相等的情況下始研究另一種產(chǎn)生空化的方法,即水力空化。當兩種流動(dòng)狀態(tài)的空化數相等時(shí),可以認為水力空化現象發(fā)生在很多場(chǎng)合,例如在有其空化現象也相似管徑急劇變化的管道中,水力機械中等。在研1.2空化的發(fā)展究中,水力空化現象通常這樣實(shí)現:流體流過(guò)空化發(fā)生的過(guò)程可以分為以下幾個(gè)階個(gè)限流區域(如幾何孔板,文丘里管等)時(shí)產(chǎn)段6。初始空化:在初始空化階段,只有極微生壓降,當壓力降至蒸汽壓甚至負壓時(shí),溶解小的氣泡出現,邊界層也沒(méi)有明顯的分離現在流體中的氣體會(huì )釋放出來(lái),同時(shí)流體汽化而象;片狀空化:這時(shí)空化數降低開(kāi)始出現連續產(chǎn)生大量空化泡空泡在隨流體進(jìn)一步流動(dòng)的氣相,從外形上看,片狀空化像手指;云狀空過(guò)程中,遇到周?chē)膲毫υ龃髸r(shí),體積將急劇化:空化數進(jìn)一步降低,出現大量空化泡,有縮小直至潰滅?？张轁邕^(guò)程發(fā)生的瞬間(微大團白霧狀;超空化:它是空化泡發(fā)展的最后秒級)會(huì )產(chǎn)生極高的壓強和溫度。階段,壓力降至極低。最后隨著(zhù)壓力的恢復空泡潰滅1空化的產(chǎn)生及發(fā)展空泡潰滅是一個(gè)極其復雜的物理過(guò)程至于為何在潰滅時(shí)能夠產(chǎn)生如此高的能量1.1空化數目前尚缺乏較權威的解釋,將多個(gè)空化泡枧空化數是描述空化初生和空狀態(tài)的一個(gè)為泡群來(lái)研究,至今對空泡群潰滅過(guò)程有如重要參數,其定義為下幾個(gè)模型:單個(gè)空化泡潰滅的沖擊波疊C;=(P2-P,)/5加成一個(gè)單個(gè)的高強度的破壞性沖擊波;多個(gè)空化泡同時(shí)發(fā)生潰滅構成一個(gè)巨大的沖擊式中,P2—流體的恢復壓力,Pq-波;基于能量傳遞的觀(guān)點(diǎn)潰滅的空泡將能量蒸汽壓力,P—流體的密度,"——限流區傳遞給未破裂的。外部空泡的破裂導致其周域的平均流速?lài)植繅毫υ黾?這個(gè)壓力使其內部空泡破空化數主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):空化數裂。因此,單個(gè)空泡的潛在破壞性或潰滅壓與管中的流體速度是獨立的,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;空化數隨R(B=dD,d是限流于解釋現有的空泡潰滅時(shí)的情形。蔡悅斌區域的直徑,D是管徑)線(xiàn)性增加;實(shí)際的空等研究發(fā)現,在柔性和剛性壁面附近,空化化現象一般發(fā)生在空化數為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(zhù)空化數的減小,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有以下幾個(gè)方面的意義。1)空的,當泡潰滅時(shí),泡面有加速射流形成,自由化初生和衡量空化強度。當流場(chǎng)內的最低壓液面有顯著(zhù)的突起,泡心下移,有遠離自由面力達到空泡不穩定的臨界壓力時(shí),空化現象之趨勢。在固壁面附近,空化泡在潰滅時(shí)將中國煤化工CNMHG第20卷第6期武君等:水力空化及應用形成柱狀射流,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(shí)泡離壁面較遠形成的射流較強因為此時(shí)泡的射流形成較3湍流與空化現象完整,能量可集中于射流部分。距離近時(shí),壁面阻礙了泡的射流發(fā)展?？梢?jiàn)在泡離固壁面空化現象伴有湍流。在通常的水力空化遠時(shí)流體將緩和射流沖擊,破壞作用反而現象中,產(chǎn)生的是小振幅、高頻率的壓力脈小,近時(shí)破壞作用要大一些,這一點(diǎn)可以解釋沖。而在超聲空化現象中,產(chǎn)生的壓力是短空泡對固體表面的剝蝕現象。暫的而更劇烈。試驗發(fā)現,若增大水力空化中的湍流條件,它的空化特點(diǎn)更類(lèi)似于超聲2空化機理條件下所產(chǎn)生的現象,所以有人就提出這樣的設想,即設計一種用于超聲化學(xué)的水力空固體壁面的空蝕破壞機理有機械作用、化反應器該反應器具備兩種空化反應的特化學(xué)腐蝕作用電化學(xué)作用和熱作用等幾種點(diǎn):水力空化裝置結構簡(jiǎn)單和易控制又有超情況。李根生認為,過(guò)流壁面產(chǎn)生空蝕破聲空化高強度壓力的產(chǎn)生。這樣的空化效果壞是由于空泡破滅時(shí)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度即可。作用所至。 Hammill1通過(guò)計算和實(shí)測得出游移型空泡潰滅時(shí),近壁處微射流速度可達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13m,表面受到微射流沖擊次數越為100次所示。該裝置為一閉路系統,水槽內放置反(s:cm2)~1000次/(s·cm2),沖擊脈沖作用應物,經(jīng)水泵將反應物打入管道中進(jìn)行反應。時(shí)間每次只有幾微秒。這樣高的沖擊作用將我們以碘化鉀分解為例為具體說(shuō)明實(shí)驗裝置直接破壞物體表面而形成凹坑,較小沖擊力的建立過(guò)程。按照流量大小選擇合適的水的反復作用將引起物體表面的疲勞破壞?；?、管路及孔板。該裝置中有兩條管路,旁路學(xué)腐蝕作用與機械空蝕作用相互促進(jìn),空蝕用來(lái)調節主管道的反應速率等過(guò)程參數。在加速腐蝕,腐蝕也加速空蝕,兩者綜合作用造成更嚴重的損壞。另外,在空泡潰滅時(shí)的高設計時(shí)要使裝置為可調。P溫髙壓作用下,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,從而導致電化學(xué)腐蝕。高溫也會(huì )使金屬達到熔點(diǎn),會(huì )使局部強度降低而破壞。關(guān)于空化產(chǎn)生機理,由于液體結構還不十分清楚,目前尚無(wú)明顯的理論說(shuō)明。有些學(xué)者提出過(guò)某些假設,比較能為人們接受的是哈維的穩定空泡核子機理假說(shuō)。哈維認為,未溶解的氣核可存在于憎水性的固體1——水泵;2——針形閥;3、6、8—球閥;4-縫隙中,因為在這樣的情況下,表面張力將起孔板5反應段;7一水槽著(zhù)減小壓力的作用,因而氣體并不是被迫溶圖1水力空化裝量流程中國煤化工CNMHG390化學(xué)工業(yè)與工程2003年12月反應物用蒸餾水制備百分之一的碘化鉀力,如壓力,剪切力等。在水力空化的細胞裂溶液,在反應過(guò)程中調節閥門(mén)2控制壓力,用解中究竟是哪種力起主導作用有待進(jìn)一步探冷卻裝置維持反應物的溫度在36℃左右。討。反應結束后,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器的控制主要通過(guò)改變13。水力空化應用到制漿中,纖維受到空泡孔徑和管徑的比率,改變恢復壓力P2,壓力潰滅時(shí)產(chǎn)生的微射流沖擊,而不是傳統方法恢復速率,進(jìn)口壓力,空化數等參數,都可以中所受到的壓力這就大大地節約了能量?？刂扑栈磻鞯妮敵?以適應各種不同的物理和化學(xué)過(guò)程。就碘化鉀分解來(lái)說(shuō),6結束語(yǔ)需找到一個(gè)最佳的進(jìn)口壓力,以使空化現象對這個(gè)反應的影響最大,即使其效率為最高長(cháng)期以來(lái),人們企圖避免和緩解水力空化所帶來(lái)的危害。近年來(lái)人們已認識到5水力空化的應用力空化也可以造福于人類(lèi)。利用水力空間集聚的高能量,開(kāi)發(fā)出不少節能、高效的物人們在應用水力空化時(shí),更多的是把它理化學(xué)過(guò)程。已有的實(shí)驗研究包括了油脂水作為一種能量輸入方式。比如可以利用空泡解細胞襲解及木漿精煉等。初步的試驗研潰滅時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓促進(jìn)化學(xué)反應,如:水究就充分展示出水力空化工藝簡(jiǎn)單、節解反應速率、細胞分裂速率等。傳統的油脂水解過(guò)程通常需要蒸汽和水有許多工作要做。的溫度高達250℃~350℃,壓力高達0.3MPa參考文獻MP. Pandit等人研究了水和蓖麻油與紅花油的水力空化水解過(guò)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(cháng)明,對于同樣的水解程度,水力空化的能量消((6):6動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,1950圖1類(lèi)似。反應物是不同濃度的水油混合與潰滅[J.水物,水解的程度靠酸值來(lái)檢測。實(shí)驗結果表PANDIT A B, MOHOLKAR V S. Hamess cavita-tion to improve processing[ J]. Chemical Engi耗比傳統方法要低很多?？梢钥闯?水力空化的能量利用率更高,生產(chǎn)規?？筛骩3] PANDIT A B, KUMAR P S, KUMAR MSIm-在細胞裂解實(shí)驗中,傳統的方法是利prove reaction with hydrodynamic cavitation[J]用高壓反應器能量輸入高,但真正用在裂解Chemical Engineering Progress, 1999,5: 43-50過(guò)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[J]. Ultrasonucsonochemistry, 1999, 6: 53-65發(fā)現能量消耗只需要原來(lái)的5%-10%,能(5] 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(shí)也產(chǎn)生了許多問(wèn)題:空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高壓和高溫能否使從[6】 WANG G, INANC S,wEs,el. Dynamics of細胞中分離出來(lái)的蛋白質(zhì)和酶失活;在細胞ttached turbulent cavitating flows[I]. Progess in流過(guò)限流區域的時(shí)候,空泡周?chē)鷷?huì )產(chǎn)生許多Aerospace Science, 2001, 37(4): 551-581中國煤化工CNMHG第20卷第6期武君等:水力空化及應用7] KUMAR P S, PANDIT A B. Modeling hydrodyna-[10」高秋生.對液體空化機理的進(jìn)一步探討[J]mi cavitation[ J]. Chemical Engineering Technolo河海大學(xué)學(xué)報,1999,27(5):63-67Ey,1999,22(12):1017-1027111 KUMAR P S, KUMAR M S, PANDIT A B.Ex[8] YAN Y, THORPE P B, Flow regime transitionsquantification of chemical effects ofdue to cavitation in the flow through an crifice[J]hydrodynamic cavitations[ J ]. Chemical EngineerInt J Multiphase Flow, 1990, 16(6): 1 023ing Science,2000,55(9):1633-16391045[12] PANDIT A B, JOSHI JB. Hydrodynamic of Fatty[9]李根生沈曉明,施立德,等.空化和空蝕機理oils: effect of cavitation[ J]. Chemical Engineering及其影響因素[].石油大學(xué)學(xué)報,1997,lence,1993,48(19):3440-342.(1):97-102(上接第318頁(yè))(1):49,參考文獻:[4] SHARP K, MATTSON G, JONSSON S. Evaluation[1]方開(kāi)泰.均勻設計與均勻設計表(第一版of the degree of cure of a coating [J].JCoat[M]北京:科學(xué)出版社,1994Tech,1998,70(877):97[2]鄭被梅,李自林均勻設計在全光亮化學(xué)鏡鎳[5]夏正斌涂偉萍楊卓如等溶解度參數在研研究中的應用[J],表面技術(shù),2002,31(3):47制高性能內烯酸聚氨酯涂料中的應用[門(mén)]高[3]李劍鋒,黃靜琪等離子噴涂C2O2涂層顯微?；瘜W(xué)工程學(xué)報,2001,15(1):88硬度的工藝優(yōu)化[].硅酸鹽學(xué)報,2001,29(上接第371頁(yè))17]卞建江,趙梅瑜,股之文.用檸檬酸鹽-凝膠[J].中國稀土學(xué)報,200,18(專(zhuān)輯):64-48法低溫合成單相Ba( MantA2)03[J.無(wú)機材20]宋寬秀,譚俊茹,顏秀茹,等,xBn0·(0.35料學(xué)報,1998,13(1):43-47x)Nd2O30.65TO2復合金屬氧化物陶瓷的制[18】薛軍民,李承恩,趙梅瑜,等.檸檬酸鹽溶液冷備與介電性能[].硅酸鹽通報,2002,21(5)凍干燥法制備B2T402[J]功能材料,1997,[21]向勇BT納米微粒的液相制備及微波陶[19]譚俊茹,宋寬秀,顏秀茹.xBa0·(0.35-x)瓷介質(zhì)材料與元器件性能研究[D].天津:天La2O30,65TO2納米陶瓷材料的制備與表征津大學(xué)電信學(xué)院,2001中國煤化工CNMHG