水力空化及应用

200年12月化学工业与工程第20卷第6期Dec,2003CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEEVol 20 No 6专题综述水力空化及应用武君,张晓冬,刘学武,夏远景,李志义(大连理工大学流体与粉体工程研究设计所,辽宁大连116012)摘要:本文对水力空化现象进行了较全面的综述,包括空化的产生、发展及溃灭的过程,给出空泡潢灭时的三种模型假设,并提出把空泡溃灭时产生的高压高温条件作为种能量输入的方法用在化学反应过程等领域,介绍了水力空化装置及应用前景等,并对空化及空蚀的产生机理进行了初步探讨,对进一步深入研究空化现象及应用有定的参考作用。关键词:空化;流体流动;空泡;潰灭中图分类号:0352.1文献标识码:A文章编号: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,当水管中某空化可产生的种种不利影响,例如在泵中处的压强若降低至蒸汽压甚至到负值时,水产生的空蚀,它是由靠近固体表处的空泡溃即自管壁分离,并在该处形成一个真空空间,灭时产生的高速液体射流冲击所造成的通常人们将这种现象称为空化。其后,发现与此同时,人们也在思考如何利用这种现象收稿日期:2002-11-11作者简介:武君(1979-),女,河北邯郸人,在读硕士,主要从事过程的空化强化研究。中国煤化工CNMHG化学工业与工程2003年12月最初人们利用超声波发生装置来产生空化,就会首先在该处发生,这里的空化数称为临并把空化现象中空泡溃灭时产生的高聚能量界空化数或初生空化数;2)可以描述设备对作为一种对化学反应过程的能量输入的方空化破坏的抵抗能力。各种水利机构都有相取得了很大进展。在实验室范围内,应的C值,C值越低,说明空化所需的压力研究人员利用空化所产生的局部超高温和超将越大,该设备抵抗空化破坏的能力越强;3)高压来促进化学反应,表面除垢等。超声空衡量不同流场空化现象的相似性。在Re化的最大弊端是难以实现工业化。人们开数,F数,W数等相似准数相等的情况下始研究另一种产生空化的方法,即水力空化。当两种流动状态的空化数相等时,可以认为水力空化现象发生在很多场合,例如在有其空化现象也相似管径急剧变化的管道中,水力机械中等。在研1.2空化的发展究中,水力空化现象通常这样实现:流体流过空化发生的过程可以分为以下几个阶个限流区域(如几何孔板,文丘里管等)时产段6。初始空化:在初始空化阶段,只有极微生压降,当压力降至蒸汽压甚至负压时,溶解小的气泡出现,边界层也没有明显的分离现在流体中的气体会释放出来,同时流体汽化而象;片状空化:这时空化数降低开始出现连续产生大量空化泡空泡在随流体进一步流动的气相,从外形上看,片状空化像手指;云状空过程中,遇到周围的压力增大时,体积将急剧化:空化数进一步降低,出现大量空化泡,有缩小直至溃灭。空泡溃灭过程发生的瞬间(微大团白雾状;超空化:它是空化泡发展的最后秒级)会产生极高的压强和温度。阶段,压力降至极低。最后随着压力的恢复空泡溃灭1空化的产生及发展空泡溃灭是一个极其复杂的物理过程至于为何在溃灭时能够产生如此高的能量1.1空化数目前尚缺乏较权威的解释,将多个空化泡枧空化数是描述空化初生和空状态的一个为泡群来研究,至今对空泡群溃灭过程有如重要参数,其定义为下几个模型:单个空化泡溃灭的冲击波叠C;=(P2-P,)/5加成一个单个的高强度的破坏性冲击波;多个空化泡同时发生溃灭构成一个巨大的冲击式中,P2—流体的恢复压力,Pq-波;基于能量传递的观点溃灭的空泡将能量蒸汽压力,P—流体的密度,"——限流区传递给未破裂的。外部空泡的破裂导致其周域的平均流速围局部压力增加,这个压力使其内部空泡破空化数主要有以下几个特点:空化数裂。因此,单个空泡的潜在破坏性或溃灭压与管中的流体速度是独立的,和孔的尺寸有力沿空化群中心逐渐增加。第三种模型更适定的关系;空化数随R(B=dD,d是限流于解释现有的空泡溃灭时的情形。蔡悦斌区域的直径,D是管径)线性增加;实际的空等研究发现,在柔性和刚性壁面附近,空化化现象一般发生在空化数为1至2.5之间,泡的溃灭形态也是不同的。在自由液面附随着空化数的减小,空化越发剧烈。近,空化泡与自由液面的相互作用是很明显空化数有以下几个方面的意义。1)空的,当泡溃灭时,泡面有加速射流形成,自由化初生和衡量空化强度。当流场内的最低压液面有显著的突起,泡心下移,有远离自由面力达到空泡不稳定的临界压力时,空化现象之趋势。在固壁面附近,空化泡在溃灭时将中国煤化工CNMHG第20卷第6期武君等:水力空化及应用形成柱状射流,射流方向指向壁面,泡心下解,而可能还保持气相状态。移,有靠近固壁面之趋势,同时泡离壁面较远形成的射流较强因为此时泡的射流形成较3湍流与空化现象完整,能量可集中于射流部分。距离近时,壁面阻碍了泡的射流发展。可见在泡离固壁面空化现象伴有湍流。在通常的水力空化远时流体将缓和射流冲击,破坏作用反而现象中,产生的是小振幅、高频率的压力脉小,近时破坏作用要大一些,这一点可以解释冲。而在超声空化现象中,产生的压力是短空泡对固体表面的剥蚀现象。暂的而更剧烈。试验发现,若增大水力空化中的湍流条件,它的空化特点更类似于超声2空化机理条件下所产生的现象,所以有人就提出这样的设想,即设计一种用于超声化学的水力空固体壁面的空蚀破坏机理有机械作用、化反应器该反应器具备两种空化反应的特化学腐蚀作用电化学作用和热作用等几种点:水力空化装置结构简单和易控制又有超情况。李根生认为,过流壁面产生空蚀破声空化高强度压力的产生。这样的空化效果坏是由于空泡破灭时产生微射流和冲击波的只需要改变水力空化模型的湍流强度即可。作用所至。 Hammill1通过计算和实测得出游移型空泡溃灭时,近壁处微射流速度可达4水力空化装置70m/s-180m/s,在物体表面产生的冲击力可高达140MPa~170MPa,微射流直径约为2m研究所使用的水力空化装置流程如图13m,表面受到微射流冲击次数越为100次所示。该装置为一闭路系统,水槽内放置反(s:cm2)~1000次/(s·cm2),冲击脉冲作用应物,经水泵将反应物打入管道中进行反应。时间每次只有几微秒。这样高的冲击作用将我们以碘化钾分解为例为具体说明实验装置直接破坏物体表面而形成凹坑,较小冲击力的建立过程。按照流量大小选择合适的水的反复作用将引起物体表面的疲劳破坏。化泵、管路及孔板。该装置中有两条管路,旁路学腐蚀作用与机械空蚀作用相互促进,空蚀用来调节主管道的反应速率等过程参数。在加速腐蚀,腐蚀也加速空蚀,两者综合作用造成更严重的损坏。另外,在空泡溃灭时的高设计时要使装置为可调。P温髙压作用下,金属晶粒间形成热电偶,冷热端间的电位差对金属表面起电解作用,从而导致电化学腐蚀。高温也会使金属达到熔点,会使局部强度降低而破坏。关于空化产生机理,由于液体结构还不十分清楚,目前尚无明显的理论说明。有些学者提出过某些假设,比较能为人们接受的是哈维的稳定空泡核子机理假说。哈维认为,未溶解的气核可存在于憎水性的固体1——水泵;2——针形阀;3、6、8—球阀;4-缝隙中,因为在这样的情况下,表面张力将起孔板5反应段;7一水槽着减小压力的作用,因而气体并不是被迫溶图1水力空化装量流程中国煤化工CNMHG390化学工业与工程2003年12月反应物用蒸馏水制备百分之一的碘化钾力,如压力,剪切力等。在水力空化的细胞裂溶液,在反应过程中调节阀门2控制压力,用解中究竟是哪种力起主导作用有待进一步探冷却装置维持反应物的温度在36℃左右。讨。反应结束后,试样用UVvS的分光光度计在目前制浆工业是水力空化重要的工业应355m处对碘的吸收率测定浓度。用领域,木浆精炼中的能量消耗占总能量的对水力空化反应器的控制主要通过改变13。水力空化应用到制浆中,纤维受到空泡孔径和管径的比率,改变恢复压力P2,压力溃灭时产生的微射流冲击,而不是传统方法恢复速率,进口压力,空化数等参数,都可以中所受到的压力这就大大地节约了能量。控制水力空化反应器的输出,以适应各种不同的物理和化学过程。就碘化钾分解来说,6结束语需找到一个最佳的进口压力,以使空化现象对这个反应的影响最大,即使其效率为最高长期以来,人们企图避免和缓解水力空化所带来的危害。近年来人们已认识到5水力空化的应用力空化也可以造福于人类。利用水力空间集聚的高能量,开发出不少节能、高效的物人们在应用水力空化时,更多的是把它理化学过程。已有的实验研究包括了油脂水作为一种能量输入方式。比如可以利用空泡解细胞袭解及木浆精炼等。初步的试验研溃灭时产生的高温高压促进化学反应,如:水究就充分展示出水力空化工艺简单、节解反应速率、细胞分裂速率等。传统的油脂水解过程通常需要蒸汽和水有许多工作要做。的温度高达250℃~350℃,压力高达0.3MPa参考文献MP. Pandit等人研究了水和蓖麻油与红花油的水力空化水解过程,空化装置与1]蔡悦斌鲁传敬何友声瞬态空化泡的成长明,对于同样的水解程度,水力空化的能量消((6):6动力学研究与进展,1950图1类似。反应物是不同浓度的水油混合与溃灭[J.水物,水解的程度靠酸值来检测。实验结果表PANDIT A B, MOHOLKAR V S. Hamess cavita-tion to improve processing[ J]. Chemical Engi耗比传统方法要低很多。可以看出,水力空化的能量利用率更高,生产规模可更大[3] PANDIT A B, KUMAR P S, KUMAR MSIm-在细胞裂解实验中,传统的方法是利prove reaction with hydrodynamic cavitation[J]用高压反应器能量输入高,但真正用在裂解Chemical Engineering Progress, 1999,5: 43-50过程中的能量只占总量的5%~10%,剩下[4] MOHOLKAR V S, KUMAR P S, PANDIT A B的大部分能量是以热量的形式散发出去。Hydrodynamic cavitation for sonochemical effectsPandit等人利用水力空化装置进行实验[J]. Ultrasonucsonochemistry, 1999, 6: 53-65发现能量消耗只需要原来的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。但是同时也产生了许多问题:空泡溃灭时产生的高压和高温能否使从[6】 WANG G, INANC S,wEs,el. Dynamics of细胞中分离出来的蛋白质和酶失活;在细胞ttached turbulent cavitating flows[I]. Progess in流过限流区域的时候,空泡周围会产生许多Aerospace Science, 2001, 37(4): 551-581中国煤化工CNMHG第20卷第6期武君等:水力空化及应用7] KUMAR P S, PANDIT A B. Modeling hydrodyna-[10」高秋生.对液体空化机理的进一步探讨[J]mi cavitation[ J]. Chemical Engineering Technolo河海大学学报,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]李根生沈晓明,施立德,等.空化和空蚀机理oils: effect of cavitation[ J]. Chemical Engineering及其影响因素[].石油大学学报,1997,lence,1993,48(19):3440-342.(1):97-102(上接第318页)(1):49,参考文献:[4] SHARP K, MATTSON G, JONSSON S. 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