第４卷第ｌ２期 黑龙江科学 Ｖ０】．４ Ｎ０．１２ ２０１３年ｌ２月 ＨＥＩＬＯＮＧＪＩＡＮＧ ＳＣＩＥＮＣＥ Ｄｅｅｅｍｂｅｒ．２０１３ 水力空化技术的研究进展 李大尉，姚立明，裴 禹 （黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨１５００１０） 摘要：本研究介绍了水力空化机理、空化的形成和发展过程。水在发生空化效应时对水力机械的工作效率和寿命都 有很大的危害。但我们可以利用水的空化效应，进行物体表面清洗、材料切割、地面挖掘、污水处理，为人类的生产和生活 服务。最后，对水力空化技术的研究和应用前景进行了展望。 关键词：空化效应；空化机理；水力空化；进展 中图分类号：ＴＥ３４８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４－８６４６（２０１３）１２－００３１－０３ Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＬＩ Ｄａ－ｗｅｉ，ＹＡＯ Ｌｉ—ｍｉｎｇ，ＰＥＩ Ｙｕ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｉｌｏｎｇｆｉａｎｇ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈａｒｂｉｎ １５００１０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｈａｓ ｔｈｅ ｏｃｃｕＩＴｅｎｃｅ ｏｆ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ，ｉｔ ｉｓ ｈａｒｍｆｕｌ ｔｏ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ．Ｂｕｔ ｗｅ ｃａｎ ｕｓｅ ｗａｔｅｒ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ａｌｌ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｂｏｄｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｌｅａｎｉｎｇ，ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｃｕｔｔｉｎｇ，ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｎｉｎｇ，ｓｅｗａｇｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ，ｆｏｒ ｈｕｍａｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｆｅ ｓｅｒｖｉｃｅｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ；ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ “空化”一词最早出现于上世纪６０年代末期…，它是 １空化机理 伴随着对空化现象深入研究的基础上，由Ｒ．Ｅ．Ｋｏｈｌ将空 水之所以能保持其液体状态，是因为其温度压力达到 化作用引入到水射流中。它是一种高效的水射流，是利用 了一定的条件。在不同的温度下，水的饱和蒸汽压力是不 了水力机械“汽蚀”的原理，人为地使水射流流束内产生许 同的。如果水中的压力低于该温度下的饱和蒸汽压力，水 多气泡，当这些气泡遇到物体时，便会破灭，在局部产生高 就会变成气体，在水中形成许多微小的汽泡，这种现象叫作 温、高压和液体的高速流动，这种现象伴随着机械效应、热 水的空化现象 。在空化现象中发生的空泡溃灭，是一个 效应和化学效应。如船舶螺旋桨和水泵的叶片，长时间工 瞬态的动力过程。由于空泡溃灭过程发生于瞬间，因而会 作造成的气蚀和磨损，就是水的空化的结果。 在局部产生极高的瞬时压力，当溃灭发生在固体表面附近 近１Ｏ年来，随着科学技术的发展和实验测试手段的进 时，水流中不断溃灭的空泡所产生的极高压力就会引起反 步，国内外的科研机构对水的空化现象进行了大量的研究， 复冲击作用，使固体表面产生破坏。 并取得了可喜的成果。在国外水力空化已经应用在船舶污 ２空化的形成 垢的清洗、海底石油设备清洗、污水处理中的污染物氧化降 从物理学知道，在温度不变条件下，如果忽略形成小气 解中。如俄罗斯已经成功研制了使用空化技术用于水下舰 泡时表面张力的微小作用，当液流局部的绝对压力降低到 船体附着物的清洗设备，乌克兰利用空化技术对污水处理 当地温度下的饱和蒸汽压力时，液体内部原来含有的小气 厂的污泥处理设备，热能转换设备和柴油的乳化装置等，都 泡将迅速膨胀，在液流内部形成含有水蒸气或其他气体的 使用了水的空化技术。可见水的空化技术正在Ｅｔ益融入国 空泡，从而产生空化现象。如图１所示，图中表示一段收缩 防、工业生产和人民生活的各个方面。 管道内的水流，上游压力为Ｐ 、下游压力为Ｐ 、收缩段压力 收稿日期：２０１３—１２－０８ 作者简介：李大尉（１９８２一），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，助理研究员，主要从事机电一体化研究。 ３１ 责任编辑：刘夏为Ｐ ，水流速度为ｕ。当绝对压力Ｐ 降低到等于或小于当 ｍｕｍｉａｎ２１４＠１６３．ｃｏｍ 以至于相当多的工程技术人员常常简单地将这种破坏泛称 为空化。 地水的饱和蒸汽压力Ｐ 时，在低压区空化的液体夹带着大 量的空泡形成了“两相流”运动，使整个管道内液体流动的 ４．３辐射空化噪声 连续性被破坏。因此，空泡在收缩截面的固体内壁面孕育 而生，并在低压区内长大，随主流运动到压力升高区内，空 泡收缩而发生溃灭 。 图１收缩管道内的水流 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｎｔｒａｃｔｉｏｎｆｌｏｗ ｐｉｐｅ ３空化的发展 空化现象是由于空泡周围压力的急剧变化而导致空泡 体积在极短的时间膨胀、压缩，从而瞬间产生高温、高压等 极端现象。空化发生的过程可以分为以下几个阶段： Ａ．初生空化。在亚空化的流场中，如使其流速不变， 逐渐降低其压强或使压强不变，逐渐增加流速，直到流场内 开始发生可见的微小空穴，此时为临界空化状态，或称初生 空化。 Ｂ．空化发展。随着压强继续降低，或流速继续增大， 水流中的空穴将继续增大，形成空化发展期。 Ｃ．消失空化。处于空化发展期的空化状态，若压强增 加或使流速降低，则空穴将逐渐减小以至最后消失，空穴最 终消失的临界空化状态称为消失空化。它是空泡发展的最 后阶段，压力降至极低，最后随着压力的恢复空泡将发生溃 灭 Ｊ。在管道中流动的水服从以下两个定律： Ａ．流量连续定理：Ｓｌ ｘ Ｖ ＝ｓ２ ｘ Ｖ２，Ｓ和Ｖ分别表示管 道的截面积和流速。 Ｂ．能量守恒定律：ｈ＋Ｐ／ｐｇ＋Ｖ２／２ｇ＝ｃ（常数）。如果 管道的直径变细，那么根据连续性定理，此处液体的流速就 会加快。根据能量守恒定律，流速变快，它的压力就会降 低，当压力低到小于饱和蒸汽压时，就会有气泡产生，出现 空化现象。 ４空化的作用 空化现象之所以重要在于其作用的后果，这些作用可 分为三大类： ’ ４．１ 改变液体的水动力作用 空化使液体的连续性遭到破坏，引起液体和边界之间 的动力作用发生变化，多数情况下空化的出现会增加水流 的阻力，降低机械的效率。 ４．２ 产生空蚀 空蚀是十分引人关注的危害，这是工程界直接认识到 的一种空化后果。空蚀破坏与空化现象的关系如此密切， ３２ 空化对水面或水下舰艇最严重的干扰是它辐射的空化 噪声，空化噪声使舰艇无法隐蔽，给敌方确定舰艇位置提供 很大的方便。 船用螺旋桨、舵、水翼、水中兵器、水泵、水轮机、高速涵 洞、闸门槽、液体火箭泵、柴油机汽缸套等都会遇到空化问 题，造成效率降低，材料剥蚀，并产生振动和噪声。但是，在 进行流态显示、水力钻孔和工业清洗作业中，空化并不完全 是有害的，在化学工程、医药工程、空间工程和核工程方面 还是有应用价值的 ｊ。由于空化现象产生的这些影响给 工程界带来许多严重后果，所以空化问题一直是人们研究 的热点问题。 ５空化的应用 随着科学技术的发展和实验测试手段的进步，国内外 的科研机构对水的空化现象进行了大量的研究。在机械工 程领域对空化的研究常常避免其破坏作用，如管道、阀门、 水泵、涡轮和螺旋桨的剥蚀破坏，对空化机理的研究主要集 中在对气泡的产生、长大及破灭方面。水的空化应用主要 在以下几个方面。 ５．１ 污水处理 ５．１．１“水相燃烧”反应机理 空泡亏面瞬间在气泡周围形成局部高温点，产生极高 的高温、高压，因此在加热区的有机物被分解，即有机物 “水相燃烧”反应。 ５．１．２自由基反应机理 在空泡周围的高温高压室水蒸气发生分裂及链式反 应： Ｈ２０＿・ＯＨ＋・Ｈ２ ・ＯＨ＋・０Ｈ—’Ｈ２０２ ２・Ｈ Ｈ２ 其中・ＯＨ和ｉ－Ｉ。０ 都具有高化学性和高氧化性，能够 与气相中的挥发性水溶质反应，或与气泡界面区及本体溶 液中可溶性溶质直接发生氧化反应，可将水中的大多数污 染物氧化降解 ｊ。 、 ５．１．３机械作用机理 由于空泡溃灭时在流体中可以产生较大的剪切力，会 使大分子主链上的碳键断裂，也可以破坏微生物的细胞壁， 从而达到降解高分子有机物和使微生物失活的作用。 ５．１．４水力空化的杀菌机理 当气泡溃灭时产生的局部高压、高温，作用在微生物上 时，可以破坏细胞壁，进而杀灭细菌。 ５．２海水淡化 海水淡化就是要从海水中除去盐分，盐与水的分离均 是一种非自发的过程，都必须消耗一定的能量，目前采用的 汽泡，这些气泡在几微秒的瞬间内凝结而引发出强烈的冲 方法有蒸馏法、膜渗透。无论哪种方法，都要消耗很大的能 击波，这种冲击波到达被清洁表面时能够使寄生物质受到 量，因此如何减少海水淡化消耗的能量，就成为海水淡化技 剧烈破坏（腐蚀）而脱落，从而达到表面清洗的目的。除了 术首要考虑的问题。利用水在空化时产生的高温、高压和 清洗船舶外，空泡技术还被成功地用于海洋地质勘探和钻 雾化效应，能够加速海水的蒸发，增加海水的表面积，提高 井平台、码头、水下管道和其他水利技术设施的检查和清洗 生产率，此种方法还具有能耗低、性能稳定、可靠性高和便 工作，以及水下金属或混凝土结构物的切割和拆除工作中。 于操作的特点，因此将超声空化技术运用到海水淡化中具 ６展望 有广阔的发展前景。超声波雾化技术就是运用了超声波在 我国的清洗工艺相对落后，环境污染严重，作业条件恶 水中传播的过程，该过程不需加热和添加任何化学剂就能 劣，研制开发环保、节能、节水的清洗设备已势在必行。空 实现，充分体现了其节能的功效” 。 泡清洗工具重量小、使用安全，潜水员的工作得以简化，无 ５．３水力切割和钻探 须过重的体力负荷，可以在任何时间进行工作。清洗后能 在高压水射流中引入空化作用而形成空化射流是一种 够完好无损地保留船舶的原漆，也可将船舶表面的油漆除 新型高效的射流，在相同条件下，空化射流有比普通射流强 去使其还原为金属基体本色。在不破坏漆层完好性的同时 得多的切割、粉碎和钻孔的作用，在煤炭、石油、冶金、船舶 可对寄生物进行有效的清除。结果表明利用空泡清洗技术 等部门有广阔的应用前景。目前此类应用还处于实验室研 不会给周围环境带来负面影响，被清除的有机体残渣会沉 究阶段，随着空化机理和空化射流研究的进一步深入，空化 人海底，进人海洋物质交换和海洋生物食物链。 射流在水力切割和钻井上的应用，会更加广泛，产生更加显 著的经济效益。 参考文献： ［１］李赵杰，邓松吊，沈银牛，等．空化射流实验研究［Ｊ］．后勤工 ５．４清洗污垢 程学院学报，２００９，２５（１）：４Ｏ＿４４． 在水的空化过程中，利用气泡爆炸效果产生的高温、高 ［２］沈忠厚．水射流理论与技术［Ｍ］．东营：石油大学出版社， 压清洗物体表面，会大大地提高水射流的清洗效果。一种 １９９８． 特殊设计的喷嘴，会使喷出的水中含有大量的空化气泡，这 ［３］ 贾力平，于开平．空化器参数对超空泡形成和发展的影响 种气泡在到达物体表面时破灭，产生爆炸，加大了清洗效 ［Ｊ］．力学学报，２００７，３９（２）：２１１－２１２． 果。它可以用来清洗附着在船体及水下构筑物的海洋生 ［４］ 白晓慧．超声波技术与污水污泥及难降解废水处理［Ｊ］．工业 物。俄罗斯水下工程公司研发的水下清洗设备就是利用了 水处理，２０００，（１２）：８—１０． 水的空化原理。该套设备在自动清洗模式时，每小时可以 ［５］ 李赵杰，邓松吊．空化射流实验研究［Ｊ］．后勤工程学院学报， ２００ｇ．２５（１）：４０—４４． 清除被海洋生物污染的船体达２６０ ｍ２／ｈ，供水压力仅为通 ［６］ 朱孟府，曾艳．水力空化在水处理中的应用与研究进展［Ｊ］． 常水射流的１／１０以下，大大地提高了清洗效率，而且没有 环境与科学技术，２０１０，３３（１２）：４４６－４４７． 任何的添加剂和化学药品，不会产生二次污染。 ［７］董华，张凌云，王晓．超声波作用下海水淡化温度响应［Ｊ］．青 该技术通过特殊结构的空泡发生器在高速水流中产生 岛理工大学学报，２０１２，３３（３）：７３－７４． （上接第２７页） 对程序要求较高，但是ＭａｐＲｅｄｕｃｅ可以让程序员通过封装 更新。而且，由于ＭａｐＲｅｄｕｃｅ是ｇｏｏｇｌｅ公司所提出的，因此 好的Ｋｅｙ／Ｖａｌｕｅ键值对其进行操作，而且不需要考虑系统 在网页数据索引建立方面具有很大的优势。随着ＭａｐＲｅ— 错误和硬件失效，使得程序员从冗繁的错误恢复、任务分发 ｄｕｃｅ的发展和广泛引用，它与关系型数据库的界限也正在 以及失败检测等细节中解放出来，让程序员能够集中精力 逐渐模糊，传统关系型数据库也正在吸收映射／规约的数据 在算法层面。 处理思想，很多公司也提供了Ｈｉｖｅ、Ｐｉｇ等高级类ＳＱＬ查询 网格计算在大规模数据处理时主要将任务分配到计算 语言。 机集群节点中进行，每个节点都可以访问集群的共享文件 ２．２与网格计算的比较 系统。网格计算在计算机密集计算中的应用较为广泛，当 网格计算通过消息传递接口来实现集群之间的通信， 数据量增长较大，达到ＴＢ甚至ＰＢ级别时，带宽就成为了 从而进行共享文件系统中的数据处理。当集群中的节点对 网格计算的瓶颈，影响网格计算的运行。而ＭａｐＲｅｄｕｃｅ一 数据库访问量较大时，带宽就会成为网格计算的瓶颈，从而 个非常重要的设计理念就是“本地计算”，将处理程序，而 对系统的整体性能造成影响。而ＭａｐＲｅｄｕｃｅ通过将数据 不是数据发送到计算节点中，从而实现了数据的高速访问。 处理的操作发送到数据节点中，对本地资源进行计算，因此 这也是ＭａｐＲｅｄｕｃｅ在海量数据处理时性能优越的一个重 在进行大量图片的操作时，其性能更好。网格计算的编程 要原因。 ３３