水力空化技术及其对压载水的预处理

刘 亮 陈黄骞 吕 伟

（上海海事大学 商船学院 上海201306）

0 引 言

1753年欧拉（Euler）指出［1］：“水管中某处的压强若降到负值时，水即自管壁分离，而该处将形成一个真空空间，这种现象应予以避免”。19世纪后半叶，随着蒸汽机船的发展，发现螺旋桨转数提高到一定程度反而会使航行速度下降，1873年雷诺曾解释这种现象是因为当螺旋桨上压强降低到真空时吸入空气所致［2］。1897年巴纳比和帕森斯在英国“果敢”号鱼雷艇和几艘蒸汽机船相继发生螺旋桨效率严重下降事件以后，提出了“空化”的概念，并指出在液体和物体间存在高速相对运动的场合可能出现空化［3］。此后，由空化产生的种种不利影响相继被发现，从而引起了人们的关注和研究。

空化问题的研究最先开始是在船舶制造行业之中，然后才相继扩展到了其他行业，比如像水力机械，水木建筑等领域中。起初学者们研究空化的最主要目的是为了避免产生空化，进而避免空蚀的作用。虽然研究目的不同，但是他们的研究成果还是为后来学者们在水力空化技术研究领域提供了理论上的指导。

随着人们对空化技术理论知识的进一步研究和探讨，人们逐渐开始意识到空化技术不是只会带来负面影响，也可以利用空化技术来造福人类。最开始人们是利用超声波发生装置来产生空化，并且把空化现象中空泡溃灭时产生的高聚能量当作一种对化学反应过程的能量输入的方法，并取得了很大的进展［4］。在实验室里，研究人员利用空化产生的超高温高压来促进化学反应，杀灭废水的细菌等等，但是超声空化很难实现工业化［5］，于是研究人员逐渐转移研究方向进而研究另外一种空化技术，即水力空化技术。

在机械生产和日常生活当中经常会出现水力空化现象，比如在船舶的螺旋桨，变径管道中等，而且所有水力机械装置和液流通道（如水泵，水轮机等），都有可能会发生空化和空蚀现象。在实验室研究当中，通常是通过这样的方式来产生水力空化的：液流流经一个半径聚变的管路时，由于节流作用会产生压力降低，而当压力降到液体饱和压力一下时，流体中原来溶解的气体就会释放出来，甚至会有一部分液体因为压力降低的缘故而汽化产生大量空泡，空泡又跟随液体向下流动，当运动到某处环境压力增大时，空泡体积将在瞬间缩小甚至破裂，而在空泡破裂的这一瞬时，在该空泡破裂处会产生极度高温高压。

1 空化的形成与发展

1.1 空化泡现象和空化数

液体流经一个区域，由于压力和温度的变化而产生汽化进而出现含汽型空泡（称之为含汽空泡），或者在压力变化时本来溶解在流体中的气体因为气化而出现含气或含气与含汽混合的空泡（称之为含气型空泡），这种现象我们称之为空化泡，一般简称为空化或者空泡。简而言之，空化（空泡）就是液流中出现了一些空化气泡或者空化汽泡及其发展的一种现象。一旦降低液流的压力或者增大液流流经速度、提高液体的温度等等，都有可能会在液流中发生空化现象。

用来描述空化发生状态的一个重要参数是空化数，其定义式为：

式中：p∞和V∞分别为参考流体压力 （绝对压力）和流体速度。通常取p∞为物体前方未扰动处液流静压（MPa）；V∞取与 p∞相应的来流速度（m/s）；ρ 为液体密度（kg/m3）；pv为液体的汽化压力（MPa）。

空化数有如下几个主要特点［6］：空化数与管中流体速度独立，但与孔的尺寸有关；空化数随着β（β=d/D，d是孔径，D是管径）线性增减；实际的空化现象一般都发生在空化数为1～1.5之间，随着空化数的减小，空化越激烈。

空化数有以下几个方面意义［7］：

（1）空化初生和用来衡量空化强度；当流场内的最低压力达到空泡不稳定的临界压力时，空化现象就会首先发生在该处，此时该处的空化数常称为临界空化数或者初生空化数；

（2）用来描述设备对空化破坏的抵抗能力；各种水力机械均有相对应的σi值，σi值越低，说明其空化所需要的压力就越大，亦说明该设备抗孔空化破坏能力越强；

（3）用来衡量不同流场中空化现象的相似性；在Re数、Fr数、We数等相似准数相等的情况下，如果两种流动状态的空化数相等，即可认为其空化现象也相似。

1.2 空化的发展

空化的发展过程可以分为如下几个阶段［8］：

（1）初始空化。此阶段只有极微小的气泡出现，边界层也没有明显的分离现象；

（2）片状空化。此阶段空化数降低到开始出现连续的气相，从外型上来看，片状空化像手指；

（3）云状空化。空化数进一步降低到出现大量的空化泡，有大团白雾状；

（4）超空化。空化泡发展的最后阶段，压力降至极低，最后随着压力的恢复空泡溃灭。

关于为何空化泡在溃灭的时候会产生非常高的能量，目前在学术界还没有一个公认的且较权威的解释。现将多个空泡视为泡群来研究，对空泡群溃灭过程有以下几个模型［9］：

（1）单个空化泡灭的冲击波叠加成1个单个的高强度的破坏性冲击波；

（2）多个空化泡同时发生溃灭构成一个巨大的冲击波；

（3）基于能量传递的观点。溃灭的空泡将能量传递给未破裂的，外部空泡的破裂导致其周围局部压力增加，这个压力使其内部空泡破裂。因此，单个空泡的潜在破坏性或溃灭压力沿空化群中心逐渐增加。第三种模型更加适合用来解释现有的空泡溃灭时的情形。

2 空化诱导细胞破裂的机理

关于空化导致细胞破裂的一些机理曾被研究过。Engler和 Robinson［10］通过高压均质机试验表明，对悬浮细胞的固定表面进行高速喷射撞击对有效的破坏细胞壁是相当必要的。Keshavarz等人［11］对于高压均质机对细胞破裂的影响因素提出了相类似的机理。基于空化使细胞破碎的方式，Save等人［12］提出了冲击波的说法，例如由于空穴溃裂而产生的压力冲击是细胞破碎的主要原因。Doulah［13］则认为空化诱导细胞破裂的机理是基于柯尔莫哥洛夫理论的各向同性湍流，并且分析了由气穴溃裂导致的流体旋涡。当流体涡旋比细胞尺寸小的时候，将会对细胞产生各种程度的冲击。如果当动能总和超过细胞壁强度时，细胞就会分解。

尽管上述大部分关于细胞破裂的机理表明是由于空化的作用，但是其确切的作用机制却是非常不同的。鉴于目前试验技术的不足，在实际系统中还做不到在如此短的时间和如此细微的空间进行实时的监控和观察，所以很难断定哪一种机理是对的。细胞破裂的机理也有可能是由于多种因素的同时作用，比如高速射流、冲击波等等。

3 水力空化装置

水力空化由流动的液体经由某一空化器（如带孔的板）而产生的，原理图如图1所示。当液体通过孔板时，由于受到孔板的阻流作用，液体的流速剧增、压力剧减；当压力降至空化初生压（一般为相应温度下的饱和蒸汽压）时，就会产生大量的空化泡（位置2处）；随后液体喷射扩张，压力值恢复（位置3处），空穴瞬间破灭，产生瞬时高温和瞬时高压。

图1 水力空化原理

研究所使用的水力空化装置如图2所示。按照流量和压力的大小选择合适的水泵、管路、仪表及孔板，所有管路和仪器均选用耐海水腐蚀材料。

图2 水力空化装置

在该装置的水槽1中放入配置好的海水，该海水中已加入一定数量的海洋微生物（塔胞藻、易弯藻等），经水泵5打入管道中。该装置中有两条管路，旁通管路用来调节主管路中的水流量及压力。实验过程中，孔板10是可拆卸的。当测试阀门在一定开度下产生水力空化而灭活海藻时，孔板10是拆卸掉的；当测试孔板产生水力空化而灭活海藻时，阀门8全部打开；当测试离心泵对海藻的灭活性能时阀门8关闭，阀6全开。对水力空化强度的控制主要是通过改变孔板设计（孔径，孔数，孔位置等）来实现的。试验开始前于水槽1中取起始水样；实验过程需记录海水温度、流量计读数以及差压计读数，同时于管路出口2和3处取水样并编号；实验结束后对所取水样进行处理，测量出个水样中的海藻浓度并计算出海藻灭活率，并通过压差计读数算出水力空化过程中的能量损失情况。通过不断改进孔板设计，结合能量损失情况，找到一个海藻灭活率较高和能量损失合理的最优化方案。

4 存在的问题

目前在国际上利用水力空化技术处理船舶压载水的研究还处于一个刚刚起步的阶段，所以不论在理论上还是实验设计上都存在很多不足之处：

（1）水力空化是如何作用于微生物，进而杀死微生物的，目前尚无完善的理论和权威的解释；

（2）影响水力空化效应的因素具有不确定性，还需研究人员做进一步研究和探讨；

（3）水力空化装置的设计参数和运行操作规范还没有一个公认的方案，研制水力空化装置的工作尚需要做进一步的探索；

（4）实验研究规模较小、而船舶压载水量较大，在水力空化装置设计放大方面尚待进一步的研究。

5 结 语

关于水力空化技术应用在船舶压载水处理领域，其研究还处于起步阶段。影响水力空化效果的因素较多，且还有很多不确定性，如孔板的设计、流体的温度、液体中含气量和气核初始大小等等。同时，还要考虑到能量的损失亦不能太大，所以要将水力空化技术真正应用到实际船舶压载水处理上，还需要研究人员做大量的理论研究和实验探索。

［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］中国大百科全书.力学卷.“空化”条［M］.中国大百科全书出版社，1985.

［4］PANDIT A B，MOHOLKAR V S.Hamess cavitation to improve processing［J］.Chemical Engineering Progress，1996，7：57-69.

［5］PANDIT A B，KUMAR P S，KUMAR M S.Improve reaction with hydrodynamic cavitation ［J］.Chemical Engineering Progress，1999，5：43-50.

［6］Moholkar V S，Kumar P S，Pandit A B，Hydrodynamic cavitation for sonochemical effects［J］.Ultrasonicsonochemistry，1999，（6）：53-65.

［7］Hammit F G，Cavitation and multiphase flow phenomenal［M］.New York;Mc Graw-Hill Book Co，1980.

［8］Wang G，Inanc S，Wei S，Dynamics of attached turbulent cavitating flows［J］.Progress in Aerospace Science，2001，37（4）：551-581.

［9］Kumar P S，Pandit A B.Modeling hydrodynamic cavitation［J］.Chemical Engineering Technology，1999，22（12）.

［10］C.R.Engler，C.W.Robinson，Effects of organism type and growth conditions on cell disruption by impingement［J］.Biotechnol.Lett.1981，3（2）：83-88.

［11］T.Keshavarz，R.Eglin，E.Walker，C.Bucke，G.Holt，A.T.Bull，M.D.Lilly，The large scale immobilization of Penicillium chrysogenum：batch and continuous operation in an air lift reactor［J］.Biotechnol.Bioeng.1990，36（8）：763-770.

［12］S.S.Save，A.B.Pandit，J.B.Joshi，Microbial cell disruption：role of cavitation，Chem.Eng.［J］.1994（55）：67-72.

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