水力空化及其在生物资源领域中的应用研究进展

　　摘要：水力空化作为液体特有的现象，其本质属于相变过程，相变产生的空化泡在溃灭瞬间引起的空化效应，除广泛应用于水处理领域外，还被用于生物资源领域中.文章对水力空化的概念、优点、产生机理和空化判据，及其近年来在生物资源领域中的研究与应用新进展等进行了概述;最后提出，水力空化相比于超声空化能耗更低、能效更高和规模放大更易，其作为一种新型过程强化手段在生物资源领域的应用是其重要的研究方向，同时也将具有更广阔的的应用前景.

　　关键词：水力空化;生物资源;过程强化

　　0引言空化是液体特有的现象，是一种在常温下就能发生的物理过程，属于工程科学的重要研究领域之一，迄今已有100多年的历史[1-3].1893年，英国海军的一条驱逐舰和汽轮机船先后在航行中突然发生航速下跌，检查发现螺旋桨桨叶被击穿损坏，后来发现是螺旋桨上产生空化泡的原因，这是人们对空化的第一次感性认识[2-3].随后，1897年英国Barnaby等一起研究船舶螺旋桨推进效率严重下降的原因，将击穿螺旋桨桨叶的这种水动力学现象定义为空化(Cavitation)，这是历史上第一次提出“空化”这个概念[2-3].此后，业内把液体内局部产生压降或处于低压时，在液体自身内部或在液体与固体界面上发生液体与其蒸汽之间的相变过程，即空化泡的生长、发展和溃灭的过程与现象称为空化[4-5].

　　空化产生的方式可以是多样的，一般根据其产生的方式可分为声致空化、水力空化、光致空化、粒子空化4种类型[6].其中，超声空化和水力空化二者以其简易的操作以及易于在实验室中实现，成为业内学者们广为采用的两种空化研究手段.超声空化作为一种典型的空化类型，其空化过程能量分布集中、空化效应剧烈，在细胞破碎[7]、超声乳化[8]、超声萃取[9]、有机物降解[10]等诸多领域都已取得了不少研究成果.但是，工业化实现难度大是超声空化的最大弊端[11]，这主要是由于其总能耗中仅有5%~10%用于空化效应，能量利用率低，且其产生的空化效应只发生在超声变幅杆换能器附近很小的区域内，形成非均匀的局部强化场，使其应用范围和应用规模受到了很大地限制[12-13].因此，水力空化开始成为业内关注的焦点.水力空化过程中，由于节流元件引起的压降促使空化泡的产生，形成液体-空化泡二者一起随流体输送的方向作整体运动，因而空化泡分布范围更宽且更为均匀，避免了超声空化产生的空化泡在狭小区域内过于集中的缺陷，从而可在液体较大区域范围内形成一个比较均匀的空化强化场，并且具有简便易行、能耗低、能效高和易实现规模化等优点，这是其工业化应用的优势所在[12-13].

　　1水力空化产生的机理

　　水力空化仅在流动的液体中发生，且发生场合是多样的，例如管道内径突然急剧收缩、管道中流体流速突然改变等.这是由于在天然状态的液体中，含有大量外径约为10-4~10-3cm的极微小空泡，即气核或空化核，这些气核或空化核通常情况下肉眼是看不见的.当管道内流动的液体由于节流现象引起液体内部压强降低时，空化的初生首先从气核开始，然后膨胀长大，形成了肉眼可见的、直径较大的空化泡，此时在压强降低区域形成液体-空化泡(气体)的“两相流”运动[14-15].当夹带空化泡的液体“两相流”流经管道压力突然增大之处时，空化泡体积将急剧缩小、并发生溃灭(恢复到气核)，并在其周围狭小的空间范围内产生高温(1000oC~5000oC)、瞬时高压(1~50MPa)等极端环境效应，即形成“热点”，并伴有强烈的冲击波、微射流和剧烈湍动等机械效应[2-3，15-16]，同时水溶液可产生羟自由基(·OH)等活化效应[2-3，15-16]，以上效应即为水力空化产生的空化效应.

　　液体内部本身存在的气核因外界压力的改变而长大或缩小，这些属于表观上的空化泡，但空化的本质是相变过程，是液体与其蒸汽之间的相变.空化泡的产生是由于液体内部局部压力降低至或低于液体的饱和蒸气压时，突然引起液体发生“沸腾”转变为蒸汽，属于一个汽化过程[2-3，15].在研究中，水力空化通常可以这样实现：将流体通过一个具有局部收缩的节流元件，比如文丘里管、几何孔板等，此时流经节流区域的液体内部产生压降，并引起节流区域内的液体流速陡然增大，当节流区域内液体内部局部压力降低至液体的饱和蒸汽压，甚至低于其饱和蒸汽压时，液体中夹带的气核将膨胀长大形成空化泡并得到释放，同时液体自身也会发生汽化相变，产生大量的空化泡，从而形成液-汽两相流，两相流遇到周围压力增大时，其夹带的空化泡体积将急剧缩小直至溃灭[17-18].

　　2水力空化的判据水力空化实现工程应用的一个重要前提，就是必须使流体产生空化现象，但如何去判断管道中的流体在一定的工程背景条件下能够发生，这是需要解决的一个问题.从水力空化的产生机理可知，影响空化发生的因素是多样的，比如：流体流速、流体温度、环境压力、流体粘度、表面张力、空化装置结构等，但影响水力空化发生的主要两个因素是：液体内部压强大小和液体流速大小，所以这两个物理量常被用来定义空化参数[15，24].

　　空化经典理论认为，液体能够发生空化的临界压强等于液体的饱和蒸汽压，即液体的饱和蒸气压可视为液体内部能够产生空化时的临界压强[2].此时，在一定的操作温度下，以空化装置中流体内部某基准点的压强Po与液体蒸汽压强Pv之差Po-Pv值越大，则流体越难发生空化，因此Po-Pv值构成了阻止流体空化的力;另一方面，流体流速νo越大，则流体越容易发生空化，因此动压强ρv2O2构成了促进流体空化的力.此流体发生空化的阻力与动力之比，构成了一个无量纲的准数-空化数，以σ表示，则[2-3，14]：

　　

　　式中，ρ为液体的密度.从式(1)可知，空化数σ值越小，流体越容易发生空化现象，反之越不容易发生空化.由式(1)还可知，空化数σ值与流体流速νo成反比关系;同时根据流体连续性方程可知，在流体流量一定的情况下，流体流速νo和管道内径尺寸也成反比关系.因此，空化数随β(β=d/D，d为限流区域的管道直径，D为限流区域外的管道内径)增大而增大.

　　一般地，将刚刚发生空化时所对应的空化数称为初生空化数，以σi表示.而空化消失时所对应的空化数则称为消失空化数，用σd表示.根据定义σi和σd的表达式分别为[2-3，14]：

　　

　　式中，Poi、Pod分别为空化泡初生及消失时的Po值;νoi和νod分别为空化泡初生和消失时的νo值.

　　显然，当空化数σ>σi或σ>σd时，空化泡无法产生，即无空化现象发生;而当空化数σ<σi或σ<σd时，空化发生，且σ越小，空化强度越大.由此可见，空化数、初生空化数或消失空化数是判别水力空化中空化现象是否发生，以及确定空化强度大小的重要参数.一般地，当空化数σ=1.5~2.5时，空化现象可以发生，这取决于节流的大小;当σ<1时，空化现象比较明显[25].

　　3在生物资源领域中的应用

　　水力空化过程中产生的空化效应，包括空化产生的“热点”效应(瞬时温度高达5000oC、瞬时高压可达50MPa)、机械效应(强烈冲击波、微射流和剧烈湍动)和活化效应(羟自由基)等，以上效应除被广泛用于水处理外，在生物资源领域也有不少研究.

　　3.1生物多糖降解

　　3.2甘蔗糖汁澄清

　　3.3生物菌类与藻类脱除

　　3.4油脂水解与蛋白改性

　　3.5生物质能源制备

　　4展望

　　水力空化易于实现，过程仅需流体通过一个流通面积呈局部收缩变小的节流元件(如文丘里管、几何孔板)，当液体的内部压强降低至或低于其饱和蒸汽压时即可产生空化现象，并可通过改变限流区域的管道直径、入口压力、节流面积、液体流速和液体温度等形式来调控空化强度，相比于超声空化，其耗能低、能效高和处理量大等特点，更具有规模性工业化应用优势.目前，水力空化在水处理、环境保护和材料科学领域都已有所应用，尤其在水处理领域应用更为广泛.但是，水力空化作为液体特有的现象，其空化产生的“热点”效应、机械效应和羟自由基效应等空化效应，使其在生物资源领域也逐渐有所突破，研究成果不断涌现.由此可见，随着水力空化技术及其理论的不断发展与完善，其作为一项新型的过程强化手段在生物资源领域的利用是其重要的研究方向，同时也将具有更广阔的的应用前景.

《水力空化及其在生物资源领域中的应用研究进展》

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