空化射流

空化是由于液流系統(tǒng)中的局部低壓( 低于相應(yīng)溫度下該液體的飽和蒸氣壓) 使液體蒸發(fā)而引起的微氣泡( 或稱為氣核) 爆發(fā)性生長(zhǎng)現(xiàn)象。通常見到的液體都不是純液體，里面含有許多微粒雜質(zhì)，如固體微粒、微生物和微氣泡。這種微氣泡的半徑一般在20μm 以下，叫做氣核或空化核。當(dāng)液體壓強(qiáng)低到相應(yīng)溫度下的飽和蒸氣壓強(qiáng)時(shí)，空化核開始膨脹，實(shí)現(xiàn)空化。當(dāng)環(huán)境壓強(qiáng)高于相應(yīng)溫度下的飽和蒸氣壓強(qiáng)時(shí)，空化泡湮滅。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，不管是避免空化，或利用空化，都關(guān)心空化在什么時(shí)候發(fā)生。對(duì)于已經(jīng)有的液體系統(tǒng)，如果檢測(cè)到絕對(duì)壓強(qiáng)等于或低于飽和蒸氣壓強(qiáng)的區(qū)域，則空化必然出現(xiàn)。但是，如果要預(yù)測(cè)一種新設(shè)計(jì)和研制新的液體系統(tǒng)內(nèi)是否會(huì)發(fā)生空化，光通過(guò)檢測(cè)就行不通了。為此，人們?cè)噲D通過(guò)相似準(zhǔn)則，像流體力學(xué)中的雷諾數(shù)一樣，定義一個(gè)數(shù)，在不同的系統(tǒng)里，只要這個(gè)數(shù)相等，則它們的空化狀態(tài)就一致，并且可以用一個(gè)臨界數(shù)來(lái)判斷空化是否發(fā)生。這個(gè)數(shù)被命名為空化數(shù)。影響空化發(fā)生的因素很多，如流動(dòng)邊界條件、絕對(duì)壓強(qiáng)、流速、液體粘性、表面張力等，但主要影響空化發(fā)生的是壓強(qiáng)和流速。

（1）相對(duì)于連續(xù)射流，空化射流的優(yōu)點(diǎn)如下：

①硬質(zhì)物品所需工作壓力大幅度降低；

②噴嘴和其他高壓部件壽命延長(zhǎng)；

③切縫比連續(xù)射流要寬得多，這對(duì)表面清洗來(lái)說(shuō)是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)；

④在水下相對(duì)于連續(xù)射流性能有所提高。

（2）相對(duì)于連續(xù)射流，空化射流的缺點(diǎn)如下：

①切縫極大；

②流量比連續(xù)射流要大10倍左右；

③切割質(zhì)量相對(duì)不好控制；

④靶距的局限性。2100433B

空化射流，空泡或采用空氣或采用淹沒方式產(chǎn)生，采用多種方法在流體中形成一個(gè)壓力低于當(dāng)?shù)卣羝麎毫Φ膮^(qū)域，這樣也就激發(fā)了空化核的生長(zhǎng)（流體中的氣泡），這些氣泡被卷入射流進(jìn)一步生長(zhǎng)，直到它們接近被清洗或切割的表面由于受阻滯而引起破裂。在破裂過(guò)程中，產(chǎn)生非常高的壓力和微射流，靶面應(yīng)力高于大多數(shù)材料的抗拉強(qiáng)度。雖然單獨(dú)的空泡破裂造成的破壞程度較小，但持續(xù)漸增的此類現(xiàn)象使得材料的失效延展擴(kuò)大。

空化射流作用原理表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面，它們分別是：

（1）空化的腐蝕原理。通常情況空化的力學(xué)沖擊對(duì)物體的腐蝕起到了巨大影響，而且腐蝕的效果使沖擊的效果更加明顯，使高壓清洗機(jī)打出的高壓水射流沖擊強(qiáng)度可能小于被作用物體的力學(xué)強(qiáng)度。

（2）機(jī)械的作用原理。被清洗物體的表面空蝕破壞，是因?yàn)榭张萜茰绠a(chǎn)生的微射流和和沖擊波的強(qiáng)大作用力所致。通俗地來(lái)說(shuō)就是球?qū)ΨQ的破裂方式，這種破裂方式在空化射流中表現(xiàn)為兩種情況：

一種情況是——空化泡在剛性固體表面附近的破裂；

另一種情況是——在壓力梯度作用下空化泡的破裂。

紊動(dòng)射流即流動(dòng)形態(tài)為紊流的射流。一種狀態(tài)的流體射入另一種狀態(tài)的流體時(shí)，兩種流體之間形成速度不連續(xù)的間斷面。在一定的干擾下，間斷面失去穩(wěn)定而產(chǎn)生渦旋，渦旋卷吸周圍流體進(jìn)入射流，同時(shí)不斷移動(dòng)、變形、分裂，產(chǎn)生并加劇紊動(dòng)，從噴射口周邊開始沿程形成內(nèi)外自由紊動(dòng)混合層。在卷吸和摻混作用下，射流斷面不斷擴(kuò)大，流速不斷降低，流量沿程增加。

射流閥從結(jié)構(gòu)上可分為射流管閥和偏轉(zhuǎn)板射流閥兩種。

1、射流管閥

射流管閥，它主要由射流管1，接收器2，轉(zhuǎn)軸3和對(duì)中彈簧4等組成，如圖1所示。

壓力油通過(guò)轉(zhuǎn)軸3引入射流管1，射流管射出的液流沖到接收器的二個(gè)接收孔上，二孔分別將液流導(dǎo)向油缸的兩腔。液壓能通過(guò)射流管的噴嘴轉(zhuǎn)換為液流的動(dòng)能，液流被接收孔分流接收后，又轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ茉谝簤焊變汕恢须莱蓧毫Σ?。?dāng)控制位移x_i=0時(shí)，射流管1處于中位，兩個(gè)孔分流接收的液體流量相等，液壓缸兩腔的壓力也相等，活塞不動(dòng)。當(dāng)x_i不等于0時(shí)，射流管繞轉(zhuǎn)軸3偏轉(zhuǎn)，兩個(gè)接收孔分流接收的液體流量不相等，其中一孔增加，另一孔減少，從而使液壓缸兩腔的壓力不等，產(chǎn)生壓差使活塞運(yùn)動(dòng)，活塞運(yùn)動(dòng)的速度與x_i的大小成正比，方向與x_i相對(duì)應(yīng)。

2、偏轉(zhuǎn)板射流閥

偏轉(zhuǎn)板射流閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2中b）為射流盤的水平截面圖。該閥的射流管1固定不動(dòng)，另設(shè)一可移動(dòng)的偏轉(zhuǎn)板2于噴口與接收器3之間，前一級(jí)的控制元件可操縱偏轉(zhuǎn)板2平移，當(dāng)偏轉(zhuǎn)板平移x_i后，兩小孔分流，使其接收的液流不等，形成壓差P_L=P₁-P₂，推動(dòng)級(jí)活塞運(yùn)動(dòng)。

上述兩種結(jié)構(gòu)的射流液壓放大的基本原理相同，液體靜壓能通過(guò)射流管噴嘴高速噴出轉(zhuǎn)換成液流的動(dòng)能，在接收器前分流，且被接收器的二小孔接收，然后又將其動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，形成壓差P_L=P₁-P₂。不同的是分流方式不同：射流管閥是轉(zhuǎn)動(dòng)射流管分流，是射流管管口；而偏轉(zhuǎn)板射流閥是移動(dòng)偏轉(zhuǎn)板分流，分流噴口是偏轉(zhuǎn)板的小孔口。

水射流空化法設(shè)備簡(jiǎn)單、無(wú)需施加化學(xué)試劑和高溫高壓，易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，具有其他水處理方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，其在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用也正處于起步階段。然而，水射流空化的技術(shù)特點(diǎn)未得到深入研究。本項(xiàng)目針對(duì)這一問(wèn)題，從空化泡(群)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的可視化和空化伴生超聲波頻譜檢測(cè)兩個(gè)角度，對(duì)不同尺寸空化器下的水射流空化過(guò)程和效應(yīng)進(jìn)行探討，揭示其特點(diǎn)。結(jié)果顯示：水射流空化伴生的超聲波具有較高能量，能進(jìn)一步降解污染物；納米級(jí)催化劑微粒的存在阻礙空化泡的規(guī)律運(yùn)動(dòng)；空化器的尺寸(喉部直徑、擴(kuò)張角)影響空泡數(shù)量和運(yùn)動(dòng)周期，以及伴生聲波的能量和頻率分布。該研究進(jìn)一步完善了水力空化的作用機(jī)理，揭示了其運(yùn)行規(guī)律，這對(duì)水射流空化的理論研究和實(shí)際應(yīng)用都有重要的指導(dǎo)意義。 針對(duì)光催化法連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中催化劑易失活、光解效率易受溶液傳質(zhì)限制等問(wèn)題，本項(xiàng)目提出將水射流空化應(yīng)用于光催化技術(shù)中，通過(guò)電鏡掃描技術(shù)分析了其對(duì)光催化劑聚集態(tài)的影響；探討了污染物種類、初始濃度、光催化劑投加量、溶液酸堿性和無(wú)機(jī)鹽介質(zhì)共存等多種實(shí)驗(yàn)條件的影響。結(jié)果顯示：水射流空化的單獨(dú)作用對(duì)污染物的降解效果甚微；水射流空化能強(qiáng)化大分子有機(jī)物(如染料、抗生素)的光催化降解反應(yīng)，對(duì)小分子有機(jī)物(如苯酚)的光催化過(guò)程無(wú)明顯的促進(jìn)作用；水射流空化對(duì)光催化劑有著持續(xù)的解聚集和分散作用；水射流空化和光催化的聯(lián)合使用，能大大提高污染物的降解效率，具有顯著的耦合效應(yīng)。在本項(xiàng)目的研究條件下，該聯(lián)合方法對(duì)染料降解的協(xié)同系數(shù)為2.9；對(duì)四環(huán)素降解的協(xié)同系數(shù)隨四環(huán)素初始濃度由10 mg/L升至80 mg/L，由1.9升至4.2，說(shuō)明其更適用于濃度較高的四環(huán)素廢水的治理。通過(guò)自由基捕獲、紫外可見光譜、紅外光譜和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等分析手段，探討水射流空化和光催化聯(lián)合體系的作用機(jī)理，分析有機(jī)物在該聯(lián)合處理過(guò)程中的主要產(chǎn)物和降解路徑。結(jié)果顯示，針對(duì)這些水溶性高、蒸氣壓低的大分子有機(jī)污染物(如染料、抗生素)，羥基自由基的氧化反應(yīng)是其主要的反應(yīng)機(jī)理；水射流空化產(chǎn)生的物理化學(xué)效應(yīng)(如伴生的微射流、沖擊波和產(chǎn)生的·OH等自由基)僅是對(duì)光催化反應(yīng)過(guò)程的強(qiáng)化和協(xié)同，不改變有機(jī)物的光催化降解產(chǎn)物和路徑。該研究揭示了水射流空化與光催化的聯(lián)合作用機(jī)理和反應(yīng)機(jī)制；為光催化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供新途徑；為水射流空化與光催化，以及與非均相體系的聯(lián)合應(yīng)用提供了理論依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。