水力空化效应对水物化性质影响的实验研究

韩桂华　鞠鹏博　赵志伟　李大尉　赵孟石

摘要：水力空化过程伴随着气泡的初生、生长、溃灭以及气泡溃灭产生的瞬间高温高压，这种空化效应对于空化介质本身产生怎样的影响一直缺乏研究。以单孔、五孔孔板型空化器为实验装置，研究水力空化效应对水物化性质的影响。首先，在相同空化时间和测量温度下，调节空化器不同入口压力（0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa、1MPa），对孔板空化器内的空化水样进行电导率、溶解氧、pH的测试，分别得到水样三种性质随入口压力和时间变化曲线。实验结果表明，随着入口压力的增大，电导率先逐渐升高后逐渐降低：溶解氧先逐渐降低后逐渐回升;pH受水力空化效应影响较小，整体上没有明显的变化规律。

关键词：水力空化效应;水物化性质;实验研究;孔板型空化器;空化介质

DOI：10.15938/j.jhust.2022.04.001

中图分类号： TK72;O359.1

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2022）04-0001-09

Experimental Study on the Effect of Hydraulic Cavitation on the

Physical and Chemical Properties of Water

HAN Gui-hua JU Peng-bo ZHAO Zhiwei LI Da-wei ZHAO Meng-shi

PEI Yu YAO Hong-bin YAO Li-ming

（1.School of Mechanical and Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China;

2.Harbin Kastar Electromechanical Technology Co.， Ltd.， Harbin 150080， China;

3.Institute of Advanced Technology Heilongjiang Academy of Sciences， Harbin 150020， China）

Abstract：The hydrodynamic cavitation process is accompanied by the initiation， growth， collapse and instantaneous high temperature and high pressure of the bubble collapse. The effect of this cavitation effect on the cavitation medium itself has been lacking in research. In this paper， single-hole and five-hole plate-type cavities are used as experimental devices to study the influence of hydraulic cavitation effects on the physicochemical properties of water. First， under the same cavitation time and measurement temperature， We adjust the different inlet pressures of the cavitation device （0.3MPa， 0.5MPa， 0.7MPa， 1MPa）， and conduct conductivity and dissolution of the cavitation water sample in the orifice cavitation device， oxygen， pH test， the three properties of the water sample with the inlet pressure and time curve. The experimental results show that as the inlet pressure increases， the conductivity first gradually increases and then gradually decreases： dissolved oxygen first gradually decreases and then gradually rises; pH is less affected by the effect of hydraulic cavitation， and there is no obvious change rule overall.

Keywords：hydraulic cavitation; water physicochemical properties; orifice cavitation; numerical simulation; cavitation medium

0引言

水力空化是通過在流体中产生局部压差，使流体的压力低于饱和蒸汽压，这时会在流体中产生气泡，在气泡随着流体移动的过程中，由于气泡的周围压力增大，使得气泡内外压力的不平衡，气泡会不断缩小直到破灭的现象。水力空化作为一种无污染的高级氧化技术广泛应用在污水处理[1-2]、生物柴油的制备[3-4]和大豆分离蛋白[5-6]等方面。虽然，国内外学者对于水力空化的应用[1-9]和水力空化装置（孔板，文丘里管等）结构设计和优化[10-18]上进行了大量研究。但是，在空化对空化介质物化性质影响研究方面仍相当匮乏。

在电导率方面，一些国内学者就超声空化对溶液电导率的影响进行了研究。王成会等[19]研究了超声空化效应对溶液电导率的影响，在不同的超声功率的情况下，测定了不同的弱电解质溶液的电导率，实验结果发现，随着超声功率的增大，电导率先减小，后小幅度回升。陈维楚等[20]研究了超声与静电立场的协同作用对水电导率的影响，研究发现相较于超声的单独作用，超声和静电立场的协同作用对水电导率影响较大，随着超声强度和静电立场强度的增加，水電导率明显提高。李小娜等[21]研究了超声空化对溶液电导率的影响，实验结果表明;当输入功率增大时，电导率随之增加;液体的表面活性和液体内壁分布状态也会对溶液电导率产生影响。

在pH值方面，王慧敏等[22]采用多洞孔板作为水力空化的发生装置，研究了水力空化对苯酚、二甲苯的降解效果，发现在pH值碱性条件下，更有利于苯酚、二甲苯的降解。周汝鑫[23]研究了文丘里空化处理污泥及污水有机污染物，在实验过程中，探究了影响水力空化效果的因素，其中包括pH值，入口压力等因素，并且进一步确定了提高污泥的pH值有助于空化作用的效果提升。

在溶解氧方面，莫宸冉[24]研究了超声空化的纳米气泡产生方法和性质，在实验过程中，为了将体相纳米气泡与可能的挥发性纳米油滴进行区分，加入了超声处理前后溶解氧含量的对照试验。实验结果表明，在超声空化处理后，水中的溶解氧含量减少了。

基于上述内容，本文以单孔、五孔孔板空化器为实验装置，研究水力空化效应对水物化性质（电导率、溶解氧、pH）的影响规律。在空化时间和测量温度不变情况下，测定3种性质随入口压力（0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa、1MPa）和时间（0min～60min）参数变化，再分别绘制3种性质随入口压力和时间变化的折线图，通过分析折线图的变化规律，得到水力空化效应对水物化性质影响规律。

1空化效应

空化效应是指当液体中某处的局部压力低于该处饱和蒸汽压力时， 不仅溶在水中的空气会逸出， 而且水也开始汽化， 在水中形成许多由空气和蒸汽组成的空泡， 这些空泡被水流挟带着到达高压区时溃灭，空泡溃灭的瞬间，在极端的高温、高压、高射流的环境下，会产生物理效应和化学效应，其中物理效应包括热效应和机械效应[25]。

1）热效应

空泡溃灭时，在空泡的局部范围内形成了高温约 （5000℃），同时在流体内部产生局部热点效应[26]，能量会周围区域扩散，形成较大的温度梯度，在高温环境下空泡内的液体迅速汽化，使空泡加速生长;同时附近流体温度升高，流体饱和蒸气压升高，空化数降低，空化更易发生，且空泡内外压差更大，空泡发育更充分。而且空化产生的局部温度梯度，会使水中较弱的电离发生平衡移动，影响溶液中离子数目，同时随着溶液温度的升高，也会加快溶液内离子的迁移速度，所以空化介质的电导率极易受到温度影响，因此在研究空化条件与空化水样关系时保持测量温度一致，消除温度影响。

2）机械效应

空化泡在发生到溃灭的发育历程中，会产生强大的冲击波和微射流，可在流体中产生强烈扰动、甚至发生破碎、剪切力等机械效应，过程中会对水中物

质及固体表面产生冲击，冲击波会将较大的气泡震碎成更多的小气泡，小气泡也参与到空化过程中。随着气泡不断地溃灭，机械效应对水中大分子物质的破坏更为明显，并且溃灭产生的局部压力越大，流体产生的扰动越强，机械效应越强烈[25]。空化产生的强大的冲击作用，对空化介质本身带来性质的改变。

3）化学效应

2空化实验

2.1实验装置

本文水力空化实验装置原理如图1所示，具体实物装置如图2所示。该实验装置主要由水箱、冷凝管、空化反应器、温度计、流量计、压力表、调节阀及管道系统组成，其中水泵型号：轻型立式离心泵 CDL2-26。水泵参数：功率3kW、扬程198m、转速2000r/min。在不同入口压力下（0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa、1MPa）流量分别为1.76m³/h、2.27m³/h、2.68m³/h、3.21m³/h。

其中温度计主要用来测量水样温度，两个压力表分别测量空化器两端（入口、出口）压力，流量计测量实验水样流量，3个调节阀调节空化反应器的入口压力。

2.2实验步骤

实验1：亚甲基蓝吸光度实验.

实验2：水样性质随时间的变化.

实验3：水样性质随入口压力的变化.

实验采用自来水作为对照水样，实验开始时，向水箱内注入100L自来水，为排除温度因素对水样3种性质的影响，开启水箱的冷却装置，并将孔板的入口压力依次设定为0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa、1MPa 4个入口压力，进行4次空化实验，自来水会在空化装置内循环60min，每间隔10min取3份等量样品并放置在室温的水中进行水浴恒温处理。亚甲基蓝吸光度测定采用分光光光度计，水样的物化性质测定采用DZS-708L雷磁多参数分析仪。为了提高测量值的准确性，每个水样进行3次重复测量，取其测量值的平均值。

3实验结果与讨论

3.1亚甲基蓝吸光度实验

为了探究空化效应与入口压力之间的关系，进行亚甲基蓝吸光度实验。

1）实验原理

亚甲基蓝（简称MB），化学式为C₁₆H₁₈N₃CIS，具有氧化性又具有还原性，可被一些氧化性较强的物质氧化。而在水力空化过程中，随着空化现象的发生，产生空化泡，空化泡的破裂在局部产生高温高压，促使气泡附近的水气两相的分子化学键的断裂，产生具有强氧化性的羟基自由基·OH，具有很强的得电子能力，可以将亚甲基蓝的电子掠夺，进而发生氧化还原反应，·OH与MB一比一反应，生成羟化亚甲蓝（MB-OH）。

MB+·OH→MB-OH（3）

因此可以在不同入口压力下，通过测得单位时间内MB量的变化，反应水力空化效应的强弱变化，即单位时间内MB减少得越多，空化效应越强。

最后通过读取分光光度计上亚甲基蓝前后吸光度的变化，便可推算与水中羟基自由基反应掉的量，即溶液中羟基的产量，从而反映空化效应的强度。

2）空化效应与入口压力的关系

将初始浓度相同的亚甲基蓝溶液（吸光度相同）加入到水箱，对入口压力为：0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa、1MPa分别实验，每次试验取样的时间间隔每10min，每次取样分成3份进行测量，取亚甲基蓝溶液的吸光度的平均值作为要记录的实验数据更换孔板重复试验。将单孔孔板、五孔孔板两组所得结果，分别绘制折线图如图3、4所示。

由实验结果可知，随着空化的进行，单孔孔板与五孔孔板的亚甲基蓝溶液的吸光度（浓度）均逐渐减小，在相同空化时间内，随着入口压力的升高，亚甲基蓝的吸光度变化率呈先升高后降低的趋势。不同的是，对于单孔孔板当入口压力为0.5MPa时，亚甲基蓝的吸光度变化率最大，对于五孔孔板入口压力0.7MPa时，亚甲基蓝的吸光度变化率最大，当继续增加孔板入口压力时，亚甲基蓝的吸光度变化率均明显变弱。这说明随着入口压力的增加，空化效应逐渐增强;当入口压力增大到一定值时，空化效应达到最佳，当再增大入口压力时空化效应减弱。

3.2单孔孔板水样电导率的变化规律

水样在不同入口压力（p）下电导率（σ）随空化时间（t）变化数据如表1所示，并绘制折线图如图5所示。不同空化时间的电导率随入口压力的变化如图6所示。

由图5可见，不同入口压力下水样的电导率均随着空化时间的增加而逐渐升高。当入口压力为0.5MPa时，电导率随空化时间的变化速率达到最大。随着入口压力的继续增大，水样电导率变化速率有明显减小的趋势。

由图6可见，不同空化时间下水样的电导率均随着入口压力的升高而逐渐升高，当入口压力为0.5MPa时，电导率升至最高。随着入口压力的继续增大，水样电导率又逐渐减小。

产生这些现象的原因是：随着入口压力的升高，孔板内的空化效应不断增强，由于空泡溃灭时产生局部高温高压，不仅会引发复杂的化学反应，还会诱导了某些极性粒子或极性状态的形成，相当于增加了溶液中离子的数目和离子的电荷数，而且随空化时间的增加，水样中的离子数目逐渐增多，从而水样的电导率逐渐上升。然后随着入口压力的增加，孔板内空化效应达到最佳时，水样的电导率变化速率達到峰值。当入口压力继续增大时，水样流经孔板的流速加快，这时水样流出空化器，会带走一部分未溃灭的气泡，溃灭的空泡数减少，因此空化效应减弱，电导率逐渐下降，其次样本中的气泡也随着入口压力的增大逐渐增多，而气泡是不导电的，由于存在于样本中气泡的增多，导致单位液体体积内离子数目减少，样本电导率逐渐降低。

3.3单孔孔板水样溶解氧的变化规律

水样在不同入口压力（p）下溶解氧（DO）随空化时间（t）变化数据如表2所示，并绘制折线图如图7所示。不同空化时间的溶解氧随入口压力的变化如图8所示。

由图7可见，不同入口压力下水样的溶解氧含量均随着空化时间的增加而下降，当入口压力为0.5MPa时，溶解氧含量下降幅度最大。随着入口压力的继续增大，水样的溶解氧含量随空化时间整加出现明显上下波动。

由图8可见，不同空化时间下水样的溶解氧含量含变量随着入口压力的不断增大，先减小后增大，当入口压力为0.5MPa时，溶解氧含量降至最低。随着入口压力的继续增大，水样溶解氧含量又逐渐回升。

产生这些现象的原因是：随着入口压力的升高，孔板内的空化效应不断增强，由于空泡溃灭时产生局部高温高压环境会带来空化的机械效应和化学效应，水样中的氧气分子化学键被机械效应所产生的剪切、冲击作用破坏，产生了·O，而且·O和氧气同时参与了空化的化学反应，水样的氧气不断被消耗，而且随空化时间的增加，水样中氧气含量逐渐下降，水样中的溶解氧含量逐渐下降。然后随着入口压力的增加，当孔板内的空化效应达到最佳时，自来水中溶解氧的消耗达到最大。当继续增大入口压力时，水样流经孔板的流速加快。当流速增大到一定程度时，一部分未溃灭的气泡随着高速的水流流出空化器，溃灭的空泡数减少，空化效应减弱，溶解氧的消耗量减少;其次随着入口压力的增大，空化产生的微射流或冲击波加快了外界氧气的溶解，另外存在于水样中气泡静止时由于内外的压差，气泡逐渐破裂，内部的氧气溶解在周围液体中，导致水样溶解氧检测值逐渐升高，最终达到溶解氧的饱和度趋于稳定。

3.4单孔孔板水样pH的变化规律

水样在不同入口压力（p）下pH随空化时间（t）变化数据如表3所示，并绘制折线图如图9所示。不同空化时间的pH随入口压力的变化如图10所示。

由图9、10可见，随着入口压力的升高，pH的变化波动较大，没有稳定的变化规律，但是从整体的走势来看，随着流体空化时间的变化，pH有较小幅度的降低（最大降低值接近0.2）。

产生这些现象的原因是：由于孔板空化器内流体产生的空化效应的作用，发生了复杂的化学反应：水中OH^-作为反应物参与化学反应被消耗，破坏水以及空化效应产生的酸式盐、H₂O₂等物质的电离平衡（很微弱），使平衡向右移动，溶液中H⁺浓度略微升高，导致水样的pH有小幅度降低;由于空化产生的·OH、H₂O₂具有强氧化性与自来水中的一些粒子发生氧化还原反应，产生OH^-离子，而OH^-离子消耗的量要大于生成的量，导致溶液pH小幅度下降，同时出现上下波动的现象。

3.5五孔孔板水样物化性质的变化规律

为了进一步验证空化效应对水物化性质的影响，采用五孔孔板在相同入口压力（0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa、1 MPa）以及相同的实验条件下做空化实验进行对比，结果如图11～16所示。

由图11～16可见，五孔孔板的物化性质变化趋势与单孔孔板大致相同。从图11、12可见，随着空化时间的增加，不同入口压力下水样的电导率整体呈增加的趋势，且随着入口压力的升高，水样的电导率呈先增高后下降的趋势，不同的是入口压力为0.7MPa时，电导率的变化率较大：同样，从图13、14可见，随着空化时间的增加，不同入口压力下水样的溶解氧均呈下降的趋势，且随着入口压力的升高，水样的溶解氧呈先下降后回升的趋势，不同的是入口压力为0.7MPa时，水样溶解氧的变化幅度较大。最后，从图15、16可见，出五孔孔板水样的pH与单孔孔板水样的pH所得到的实验结果都没有明显的实验规律。

3.6实验误差分析

3.6.1温度对物化性质测量的影响

水样在经历空化过程后水温会升高，温度对物化性质的影响较大。为了避免这一情况，在水样安装冷凝管进行冷却，并且在取得空化后的水样后，对水样进行水浴恒温处理，当水样温度冷却到室温后，再进行测量。

3.6.2实验测量装置对物化性质测量的影响

水样的测量采用的是DZS-708L雷磁多参数分析仪。

使用分析仪进行测量时，要注意以下两点：

1）3个物化参数测定的顺序

水样的溶解氧要最后测量，因为在测量溶解氧过程中，电极要消耗水溶液中氧气，并产生部分离子，对其他两个参数的测量会产生影响。

2）每次完成测量后，需要用蒸馏水清洗电极，并用滤纸擦拭干净，以免影响下次测量。

此外，为了尽量避免个人误差对实验测量的影响，每份水样物化性质测量三次，取其平均值记录。

4结论

本文主要以单孔和五孔板式空化器作为空化发生器，探究在不同的入口压力下，水力空化效应对水物化性质影响规律。测定在一段空化时间内，空化水样物化性质参数，通过分析物化性质参数变化规律，得到以下结论：

1）随着入口压力的不断增大，单孔孔板的电导率先增大后减小，当入口压力达到0.5MPa时，电导率升至最大值。

2）随着入口压力的不断增大，单孔孔板的溶解氧先减小后回升，当入口压力达到0.5MPa时，溶解氧降至最小值。

3）随着入口压力的不断增大，单孔孔板pH值变化没有明显的变化规律，但从整体上看，pH值有较小的降低幅度（不超过0.2）。

4）五孔孔板的物化性質变化规律与单孔孔板大致相同，但与单孔孔板不同的是，物化性质变化极值处的入口压力为0.7MPa。

5）本文的研究为空化机理的深入研究增加了一个新的途径。

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（编辑：温泽宇）