空化射流形成机理

空化是由于液流系统中的局部低压( 低于相应温度下该液体的饱和蒸气压) 使液体蒸发而引起的微气泡( 或称为气核) 爆发性生长现象。通常见到的液体都不是纯液体，里面含有许多微粒杂质，如固体微粒、微生物和微气泡。这种微气泡的半径一般在20μm 以下，叫做气核或空化核。当液体压强低到相应温度下的饱和蒸气压强时，空化核开始膨胀，实现空化。当环境压强高于相应温度下的饱和蒸气压强时，空化泡湮灭。

在实际工程应用中，不管是避免空化，或利用空化，都关心空化在什么时候发生。对于已经有的液体系统，如果检测到绝对压强等于或低于饱和蒸气压强的区域，则空化必然出现。但是，如果要预测一种新设计和研制新的液体系统内是否会发生空化，光通过检测就行不通了。为此，人们试图通过相似准则，像流体力学中的雷诺数一样，定义一个数，在不同的系统里，只要这个数相等，则它们的空化状态就一致，并且可以用一个临界数来判断空化是否发生。这个数被命名为空化数。影响空化发生的因素很多，如流动边界条件、绝对压强、流速、液体粘性、表面张力等，但主要影响空化发生的是压强和流速。

空化射流，空泡或采用空气或采用淹没方式产生，采用多种方法在流体中形成一个压力低于当地蒸汽压力的区域，这样也就激发了空化核的生长（流体中的气泡），这些气泡被卷入射流进一步生长，直到它们接近被清洗或切割的表面由于受阻滞而引起破裂。在破裂过程中，产生非常高的压力和微射流，靶面应力高于大多数材料的抗拉强度。虽然单独的空泡破裂造成的破坏程度较小，但持续渐增的此类现象使得材料的失效延展扩大。

空化射流作用原理表现在以下两个方面，它们分别是：

（1）空化的腐蚀原理。通常情况空化的力学冲击对物体的腐蚀起到了巨大影响，而且腐蚀的效果使冲击的效果更加明显，使高压清洗机打出的高压水射流冲击强度可能小于被作用物体的力学强度。

（2）机械的作用原理。被清洗物体的表面空蚀破坏，是因为空泡破灭产生的微射流和和冲击波的强大作用力所致。通俗地来说就是球对称的破裂方式，这种破裂方式在空化射流中表现为两种情况：

一种情况是——空化泡在刚性固体表面附近的破裂；

另一种情况是——在压力梯度作用下空化泡的破裂。

（1）相对于连续射流，空化射流的优点如下：

①硬质物品所需工作压力大幅度降低；

②喷嘴和其他高压部件寿命延长；

③切缝比连续射流要宽得多，这对表面清洗来说是一个优点；

④在水下相对于连续射流性能有所提高。

（2）相对于连续射流，空化射流的缺点如下：

①切缝极大；

②流量比连续射流要大10倍左右；

③切割质量相对不好控制；

④靶距的局限性。2100433B

紊动射流即流动形态为紊流的射流。一种状态的流体射入另一种状态的流体时，两种流体之间形成速度不连续的间断面。在一定的干扰下，间断面失去稳定而产生涡旋，涡旋卷吸周围流体进入射流，同时不断移动、变形、分裂，产生并加剧紊动，从喷射口周边开始沿程形成内外自由紊动混合层。在卷吸和掺混作用下，射流断面不断扩大，流速不断降低，流量沿程增加。

射流阀从结构上可分为射流管阀和偏转板射流阀两种。

1、射流管阀

射流管阀，它主要由射流管1，接收器2，转轴3和对中弹簧4等组成，如图1所示。

压力油通过转轴3引入射流管1，射流管射出的液流冲到接收器的二个接收孔上，二孔分别将液流导向油缸的两腔。液压能通过射流管的喷嘴转换为液流的动能，液流被接收孔分流接收后，又转变为压力能在液压缸两腔中肜成压力差。当控制位移x_i=0时，射流管1处于中位，两个孔分流接收的液体流量相等，液压缸两腔的压力也相等，活塞不动。当x_i不等于0时，射流管绕转轴3偏转，两个接收孔分流接收的液体流量不相等，其中一孔增加，另一孔减少，从而使液压缸两腔的压力不等，产生压差使活塞运动，活塞运动的速度与x_i的大小成正比，方向与x_i相对应。

2、偏转板射流阀

偏转板射流阀的结构如图2所示，图2中b）为射流盘的水平截面图。该阀的射流管1固定不动，另设一可移动的偏转板2于喷口与接收器3之间，前一级的控制元件可操纵偏转板2平移，当偏转板平移x_i后，两小孔分流，使其接收的液流不等，形成压差P_L=P₁-P₂，推动级活塞运动。

上述两种结构的射流液压放大的基本原理相同，液体静压能通过射流管喷嘴高速喷出转换成液流的动能，在接收器前分流，且被接收器的二小孔接收，然后又将其动能转变为压力能，形成压差P_L=P₁-P₂。不同的是分流方式不同：射流管阀是转动射流管分流，是射流管管口；而偏转板射流阀是移动偏转板分流，分流喷口是偏转板的小孔口。

水射流空化法设备简单、无需施加化学试剂和高温高压，易于实现和维护，具有其他水处理方法无可比拟的优势，其在环境领域的应用也正处于起步阶段。然而，水射流空化的技术特点未得到深入研究。本项目针对这一问题，从空化泡(群)运动规律的可视化和空化伴生超声波频谱检测两个角度，对不同尺寸空化器下的水射流空化过程和效应进行探讨，揭示其特点。结果显示：水射流空化伴生的超声波具有较高能量，能进一步降解污染物；纳米级催化剂微粒的存在阻碍空化泡的规律运动；空化器的尺寸(喉部直径、扩张角)影响空泡数量和运动周期，以及伴生声波的能量和频率分布。该研究进一步完善了水力空化的作用机理，揭示了其运行规律，这对水射流空化的理论研究和实际应用都有重要的指导意义。 针对光催化法连续运行过程中催化剂易失活、光解效率易受溶液传质限制等问题，本项目提出将水射流空化应用于光催化技术中，通过电镜扫描技术分析了其对光催化剂聚集态的影响；探讨了污染物种类、初始浓度、光催化剂投加量、溶液酸碱性和无机盐介质共存等多种实验条件的影响。结果显示：水射流空化的单独作用对污染物的降解效果甚微；水射流空化能强化大分子有机物(如染料、抗生素)的光催化降解反应，对小分子有机物(如苯酚)的光催化过程无明显的促进作用；水射流空化对光催化剂有着持续的解聚集和分散作用；水射流空化和光催化的联合使用，能大大提高污染物的降解效率，具有显著的耦合效应。在本项目的研究条件下，该联合方法对染料降解的协同系数为2.9；对四环素降解的协同系数随四环素初始浓度由10 mg/L升至80 mg/L，由1.9升至4.2，说明其更适用于浓度较高的四环素废水的治理。通过自由基捕获、紫外可见光谱、红外光谱和液相色谱-质谱联用等分析手段，探讨水射流空化和光催化联合体系的作用机理，分析有机物在该联合处理过程中的主要产物和降解路径。结果显示，针对这些水溶性高、蒸气压低的大分子有机污染物(如染料、抗生素)，羟基自由基的氧化反应是其主要的反应机理；水射流空化产生的物理化学效应(如伴生的微射流、冲击波和产生的·OH等自由基)仅是对光催化反应过程的强化和协同，不改变有机物的光催化降解产物和路径。该研究揭示了水射流空化与光催化的联合作用机理和反应机制；为光催化技术的工业化应用提供新途径；为水射流空化与光催化，以及与非均相体系的联合应用提供了理论依据和实践基础。