壅塞空化與射流空化噪聲譜特性的實驗研究

張鳳華，劉海峰，徐俊超，唐川林

（湖南工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，環(huán)境問題也凸顯出來。工業(yè)污水和生活污水由于得不到有效地處理，嚴重污染了人們賴以生存的寶貴水資源。尋找經(jīng)濟、易行、有效的水處理技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。

空化現(xiàn)象是指液體內(nèi)部局部壓力降低時，液體內(nèi)部或液固交界面上內(nèi)含蒸汽、氣體或揮發(fā)性有機物的空泡初生、長大和潰滅的過程。空泡潰滅瞬間產(chǎn)生極短暫的強壓力脈沖，氣泡周圍微小空間形成局部熱點，產(chǎn)生極端的高溫、高壓環(huán)境，局部溫度可達5 000 K的高溫和超過50 MPa的高壓。溫度變化率高達109K/s，并伴有強烈的沖擊波和速度高達100 m/s以上的微射流。[1-2]這樣的極端條件將為在一般條件下難以實現(xiàn)或不可能實現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)提供一種非常特殊的物理環(huán)境。

關(guān)于應(yīng)用空化效應(yīng)進行水處理問題的研究，較為普遍的是超聲空化和水力空化。超聲空化裝置產(chǎn)生的能量集中、空化效應(yīng)強烈，對各類有機物有良好的氧化效果，得到了眾多學(xué)者廣泛深入的研究，在理論和實驗方面已取得了大量的成果[3-4]。但因超聲空化效應(yīng)只在超聲探頭附近產(chǎn)生，能量轉(zhuǎn)換率低，空化反應(yīng)器放大效果差，難以對污水實現(xiàn)工業(yè)化處理。相對而言，水力空化的能量利用率高[5]，比尺效應(yīng)影響小，易于放大，因而被業(yè)界認為是很有潛力的處理有毒難降解污水和水凈化的新途徑[6-8]。

目前，國內(nèi)外研究的水力空化主要有3種形式：射流空化[9-12]、孔板空化[13-16]和漩渦空化[17-19]。這些空化方法都未能很好地解決增加空化區(qū)域占水體的體積比和使空泡有效潰滅（即不能快速潰滅并在高頻段釋放高能量）的問題，嚴重制約了水力空化處理污水的工業(yè)應(yīng)用。本小組研究人員在研究射流空化的基礎(chǔ)上，提出了壅塞空化的概念，并從空化噪聲譜特性的角度對其進行了初步研究。

1 實驗系統(tǒng)與條件

實驗系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1Diagram of experiment system

圖1中，水泵型號為1W-2.5-12型渦旋泵，其流量為2.5 m3/h，揚程為120 m，功率為3 kW，為空化發(fā)生裝置提供壓力；水槽尺寸為1.0 m×0.5 m×0.4 m。在測試空化噪聲信號實驗中，水泵接自來水，實驗系統(tǒng)為開放系統(tǒng)。

空化噪聲用水聽器在水下采集。水聽器分別水平布置在噴嘴出口處和靶盤位置，與噴嘴軸線等高，距噴嘴軸線40 mm，如圖1所示。

水聽器CS-3是中國科學(xué)院聲學(xué)研究所生產(chǎn)的二級標(biāo)準(zhǔn)水聽器，CS-3的敏感元件為直徑10 mm、高8 mm的PZT-5壓電陶瓷圓管，可在幾Hz至160 kHz的頻率范圍工作，靈敏度為M=-210 dB。電纜長6 m。

測試系統(tǒng)為湖南工業(yè)大學(xué)和清華大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的CavTest11空化噪聲測試系統(tǒng)。實驗中采用了3種空化發(fā)生裝置：普通噴嘴、空化噴嘴和壅塞空化器?？栈瘒娮炀哂凶约ふ袷幥唤Y(jié)構(gòu)，且出口為角型擴散的；普通噴嘴的入口錐角與空化噴嘴相同。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。普通噴嘴和空化噴嘴出口直徑均為3.6 mm，泵壓0.8 MPa，淹沒深度0.5 m，靶距為35 mm。

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2Configuration of nozzles

壅塞空化器示意圖見圖3，水聽器安裝在空化器內(nèi)，位置如圖3中所示。等效噴嘴直徑2.6 mm，圍壓孔直徑4 mm，泵壓1.2 MPa。

圖3 壅塞空化器示意圖Fig.3Configuration of choking-cavitator

2 試驗結(jié)果與分析

空化噪聲時域信號和功率譜分布的實驗結(jié)果如圖4～6所示。圖中設(shè)時間單元

圖4 普通噴嘴空化噪聲信號Fig.4Signal of cavitation noise by conventional nozzle

圖5 空化噴嘴空化噪聲信號Fig.5Signal of cavitation noise by cavitating nozzle

圖6 壅塞空化器空化噪聲信號Fig.6Signal of cavitation noise by choking cavitator

對比分析圖4～6中分圖b）可知，由于采用不同的空化發(fā)生裝置，其產(chǎn)生空泡和空泡潰滅的機理不同，測得噪聲信號所對應(yīng)的功率譜明顯具有不同的特點。

當(dāng)采用普通噴嘴（見圖2a）時，壓力水經(jīng)噴嘴加速后射入淹沒水中，并噴射到靶盤上?？张葜饕a(chǎn)生在射流與周圍靜止水體的環(huán)形剪切區(qū)內(nèi)，空化區(qū)域占水體的體積比較小。當(dāng)空泡隨射流打擊到靶盤上時，在滯止壓力作用下空泡潰滅，但由于受到滯止點附近流場的影響和靶盤上水墊的作用，到達靶盤的空泡多數(shù)不能有效潰滅。所以，圖4b中觀察到空化噪聲的功率密度隨頻率增加而下降，在高頻段（50～120 kHz）沒有能量的積蓄現(xiàn)象。

空化射流是指水流通過特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計的空化噴嘴（見圖2b），在噴嘴振蕩腔的作用下開始產(chǎn)生空泡，然后在噴嘴出口的錐形擴散區(qū)這些空泡進一步長大并產(chǎn)生更多的新空泡。攜帶大量空泡的射流沖擊靶盤時在滯止壓力作用下空泡潰滅。由于噴嘴內(nèi)振蕩腔的作用，連續(xù)射流經(jīng)過噴嘴后調(diào)制成了振蕩脈沖射流，此振蕩脈沖射流打擊靶物時破壞水墊作用，從而較之普通噴嘴而言，提高了空泡潰滅的效果。圖5b中觀察到了在高頻段（50～120 kHz）有能量的積蓄現(xiàn)象，空化噪聲的功率密度隨頻率變化，在50～120 kHz段出現(xiàn)一平臺，但由于靶盤潰滅方式的限制，空泡有效潰滅的量仍然有限，所以圖5b中高頻段的功率密度幅值還較小。

根據(jù)汽液兩相臨界流理論，作者提出充分利用壅塞現(xiàn)象產(chǎn)生的特殊流場特性，通過設(shè)計特定的空化器結(jié)構(gòu)（見圖3），控制流場臨界點（當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)Ma=1）的變化，壅塞空化器巧妙地同時解決了在更大范圍水體內(nèi)產(chǎn)生空泡和使空泡有效潰滅的問題。

如圖3所示，水流從環(huán)狀噴嘴射入壅塞管內(nèi)，在壅塞管的前部開始出現(xiàn)大量的空泡，隨著攜帶大量空泡的流體（氣液兩相流）在壅塞管內(nèi)流動，管內(nèi)氣相含量快速增加，當(dāng)?shù)匾羲偌眲∠陆怠Ｔ谯杖芎蟛?，?dāng)?shù)伛R赫數(shù)Ma=1的某斷面（稱為壅塞截面），出現(xiàn)了所謂的氣液兩相流“壅塞”現(xiàn)象。根據(jù)氣液兩相臨界流理論，壅塞截面下游的流場壓力增加不會影響上游流場的壓力。一旦在壅塞空化器內(nèi)建立起了穩(wěn)定的壅塞流動，當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)為1的壅塞截面就把管內(nèi)流場一分為二，壅塞截面相當(dāng)于一扇天然的閘門，把管內(nèi)流場分為了2個區(qū)域。其上游為空泡的產(chǎn)生區(qū)（低壓區(qū)），下游為空泡的潰滅區(qū)（高壓區(qū)），這樣，一個壅塞空化器就同時滿足了空化效應(yīng)的空泡產(chǎn)生和潰滅需要不同流場的要求，使空化過程中所產(chǎn)生的空泡幾乎全部得到有效潰滅。

圖6b中觀察到空化噪聲的功率密度隨頻率增加出現(xiàn)了頻帶較寬（≤120 kHz）的高能量平臺，在整個平臺上都有很好的能量積蓄現(xiàn)象，特別可貴的是在頻率50～120 kHz段，壅塞空化器的這種寬頻高能量的平臺特性，特別有利于空化效應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。因此，壅塞空化技術(shù)是一種有效的、很有潛力的水力空化處理污水的全新技術(shù)。

3 結(jié)論及展望

在認識空泡潰滅機理并掌握控制空泡有效潰滅技術(shù)方面的不足，成為了水力空化技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。突破這一瓶頸，從而進一步提高空化效應(yīng)處理水的效果，是目前十分有意義的研究課題。十幾年來，作者一直從事空化水射流的研究，提出并研制了壅塞空化器。壅塞空化器能在大范圍水體內(nèi)產(chǎn)生空泡并使空泡有效潰滅，在有毒難降解污水的處理、水凈化、水資源的循環(huán)利用、水體環(huán)境污染的控制等方面，具有較大的應(yīng)用潛力和廣闊的應(yīng)用前景。

深化對壅塞空化器空化機理的認識，優(yōu)化壅塞空化器的結(jié)構(gòu)和特征尺寸，探索壅塞空化器處理各種污水的運行參數(shù)等，都還需要進一步研究。

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