空化射流

空化是由于液流系統(tǒng)中的局部低壓( 低于相應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。當液體壓強低到相應溫度下的飽和蒸氣壓強時，空化核開始膨脹，實現(xiàn)空化。當環(huán)境壓強高于相應溫度下的飽和蒸氣壓強時，空化泡湮滅。

在實際工程應用中，不管是避免空化，或利用空化，都關(guān)心空化在什么時候發(fā)生。對于已經(jīng)有的液體系統(tǒng)，如果檢測到絕對壓強等于或低于飽和蒸氣壓強的區(qū)域，則空化必然出現(xiàn)。但是，如果要預測一種新設計和研制新的液體系統(tǒng)內(nèi)是否會發(fā)生空化，光通過檢測就行不通了。為此，人們試圖通過相似準則，像流體力學中的雷諾數(shù)一樣，定義一個數(shù)，在不同的系統(tǒng)里，只要這個數(shù)相等，則它們的空化狀態(tài)就一致，并且可以用一個臨界數(shù)來判斷空化是否發(fā)生。這個數(shù)被命名為空化數(shù)。影響空化發(fā)生的因素很多，如流動邊界條件、絕對壓強、流速、液體粘性、表面張力等，但主要影響空化發(fā)生的是壓強和流速。

（1）相對于連續(xù)射流，空化射流的優(yōu)點如下：

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；

③切縫比連續(xù)射流要寬得多，這對表面清洗來說是一個優(yōu)點；

④在水下相對于連續(xù)射流性能有所提高。

（2）相對于連續(xù)射流，空化射流的缺點如下：

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壓力低于當?shù)卣羝麎毫Φ膮^(qū)域，這樣也就激發(fā)了空化核的生長（流體中的氣泡），這些氣泡被卷入射流進一步生長，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。在破裂過程中，產(chǎn)生非常高的壓力和微射流，靶面應力高于大多數(shù)材料的抗拉強度。雖然單獨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大。

空化射流作用原理表現(xiàn)在以下兩個方面，它們分別是：

（1）空化的腐蝕原理。通常情況空化的力學沖擊對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，使高壓清洗機打出的高壓水射流沖擊強度可能小于被作用物體的力學強度。

（2）機械的作用原理。被清洗物體的表面空蝕破壞，是因為空泡破滅產(chǎn)生的微射流和和沖擊波的強大作用力所致。通俗地來說就是球?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。

紊動射流即流動形態(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，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入射流，同時不斷移動、變形、分裂，產(chǎn)生并加劇紊動，從噴射口周邊開始沿程形成內(nèi)外自由紊動混合層。在卷吸和摻混作用下，射流斷面不斷擴大，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和對中彈簧4等組成，如圖1所示。

壓力油通過轉(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接收孔上，二孔分別將液流導向油缸的兩腔。液壓能通過射流管的噴嘴轉(zhuǎn)換為液流的動能，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睢．斂刂莆灰苮_i=0時，射流管1處于中位，兩個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。當x_i不等于0時，射流管繞轉(zhuǎn)軸3偏轉(zhuǎn)，兩個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)生壓差使活塞運動，活塞運動的速度與x_i的大小成正比，方向與x_i相對應。

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，另設一可移動的偏轉(zhuǎn)板2于噴口與接收器3之間，前一級的控制元件可操縱偏轉(zhuǎn)板2平移，當偏轉(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，推動級活塞運動。

上述兩種結(jié)構(gòu)的射流液壓放大的基本原理相同，液體靜壓能通過射流管噴嘴高速噴出轉(zhuǎn)換成液流的動能，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)動射流管分流，是射流管管口；而偏轉(zhuǎn)板射流閥是移動偏轉(zhuǎn)板分流，分流噴口是偏轉(zhuǎn)板的小孔口。

水射流空化法設備簡單、無需施加化學試劑和高溫高壓，易于實現(xiàn)和維護，具有其他水處理方法無可比擬的優(yōu)勢，其在環(huán)境領(lǐng)域的應用也正處于起步階段。然而，水射流空化的技術(shù)特點未得到深入研究。本項目針對這一問題，從空化泡(群)運動規(guī)律的可視化和空化伴生超聲波頻譜檢測兩個角度，對不同尺寸空化器下的水射流空化過程和效應進行探討，揭示其特點。結(jié)果顯示：水射流空化伴生的超聲波具有較高能量，能進一步降解污染物；納米級催化劑微粒的存在阻礙空化泡的規(guī)律運動；空化器的尺寸(喉部直徑、擴張角)影響空泡數(shù)量和運動周期，以及伴生聲波的能量和頻率分布。該研究進一步完善了水力空化的作用機理，揭示了其運行規(guī)律，這對水射流空化的理論研究和實際應用都有重要的指導意義。 針對光催化法連續(xù)運行過程中催化劑易失活、光解效率易受溶液傳質(zhì)限制等問題，本項目提出將水射流空化應用于光催化技術(shù)中，通過電鏡掃描技術(shù)分析了其對光催化劑聚集態(tài)的影響；探討了污染物種類、初始濃度、光催化劑投加量、溶液酸堿性和無機鹽介質(zhì)共存等多種實驗條件的影響。結(jié)果顯示：水射流空化的單獨作用對污染物的降解效果甚微；水射流空化能強化大分子有機物(如染料、抗生素)的光催化降解反應，對小分子有機物(如苯酚)的光催化過程無明顯的促進作用；水射流空化對光催化劑有著持續(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。在本項目的研究條件下，該聯(lián)合方法對染料降解的協(xié)同系數(shù)為2.9；對四環(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，說明其更適用于濃度較高的四環(huán)素廢水的治理。通過自由基捕獲、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)合體系的作用機理，分析有機物在該聯(lián)合處理過程中的主要產(chǎn)物和降解路徑。結(jié)果顯示，針對這些水溶性高、蒸氣壓低的大分子有機污染物(如染料、抗生素)，羥基自由基的氧化反應是其主要的反應機理；水射流空化產(chǎn)生的物理化學效應(如伴生的微射流、沖擊波和產(chǎn)生的·OH等自由基)僅是對光催化反應過程的強化和協(xié)同，不改變有機物的光催化降解產(chǎn)物和路徑。該研究揭示了水射流空化與光催化的聯(lián)合作用機理和反應機制；為光催化技術(shù)的工業(yè)化應用提供新途徑；為水射流空化與光催化，以及與非均相體系的聯(lián)合應用提供了理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。