摘要：水力空化作為液體特有的現象，其本質屬于相變過程，相變產生的空化泡在潰滅瞬間引起的空化效應，除廣泛應用于水處理領域外，還被用于生物資源領域中.文章對水力空化的概念、優點、產生機理和空化判據，及其近年來在生物資源領域中的研究與應用新進展等進行了概述;最后提出，水力空化相比于超聲空化能耗更低、能效更高和規模放大更易，其作為一種新型過程強化手段在生物資源領域的應用是其重要的研究方向，同時也將具有更廣闊的的應用前景.

　　關鍵詞：水力空化;生物資源;過程強化

　　0引言空化是液體特有的現象，是一種在常溫下就能發生的物理過程，屬于工程科學的重要研究領域之一，迄今已有100多年的歷史[1-3].1893年，英國海軍的一條驅逐艦和汽輪機船先后在航行中突然發生航速下跌，檢查發現螺旋槳槳葉被擊穿損壞，后來發現是螺旋槳上產生空化泡的原因，這是人們對空化的第一次感性認識[2-3].隨后，1897年英國Barnaby等一起研究船舶螺旋槳推進效率嚴重下降的原因，將擊穿螺旋槳槳葉的這種水動力學現象定義為空化(Cavitation)，這是歷史上第一次提出“空化”這個概念[2-3].此后，業內把液體內局部產生壓降或處于低壓時，在液體自身內部或在液體與固體界面上發生液體與其蒸汽之間的相變過程，即空化泡的生長、發展和潰滅的過程與現象稱為空化[4-5].

　　空化產生的方式可以是多樣的，一般根據其產生的方式可分為聲致空化、水力空化、光致空化、粒子空化4種類型[6].其中，超聲空化和水力空化二者以其簡易的操作以及易于在實驗室中實現，成為業內學者們廣為采用的兩種空化研究手段.超聲空化作為一種典型的空化類型，其空化過程能量分布集中、空化效應劇烈，在細胞破碎[7]、超聲乳化[8]、超聲萃取[9]、有機物降解[10]等諸多領域都已取得了不少研究成果.但是，工業化實現難度大是超聲空化的最大弊端[11]，這主要是由于其總能耗中僅有5%~10%用于空化效應，能量利用率低，且其產生的空化效應只發生在超聲變幅桿換能器附近很小的區域內，形成非均勻的局部強化場，使其應用范圍和應用規模受到了很大地限制[12-13].因此，水力空化開始成為業內關注的焦點.水力空化過程中，由于節流元件引起的壓降促使空化泡的產生，形成液體-空化泡二者一起隨流體輸送的方向作整體運動，因而空化泡分布范圍更寬且更為均勻，避免了超聲空化產生的空化泡在狹小區域內過于集中的缺陷，從而可在液體較大區域范圍內形成一個比較均勻的空化強化場，并且具有簡便易行、能耗低、能效高和易實現規模化等優點，這是其工業化應用的優勢所在[12-13].

　　1水力空化產生的機理

　　水力空化僅在流動的液體中發生，且發生場合是多樣的，例如管道內徑突然急劇收縮、管道中流體流速突然改變等.這是由于在天然狀態的液體中，含有大量外徑約為10-4~10-3cm的極微小空泡，即氣核或空化核，這些氣核或空化核通常情況下肉眼是看不見的.當管道內流動的液體由于節流現象引起液體內部壓強降低時，空化的初生首先從氣核開始，然后膨脹長大，形成了肉眼可見的、直徑較大的空化泡，此時在壓強降低區域形成液體-空化泡(氣體)的“兩相流”運動[14-15].當夾帶空化泡的液體“兩相流”流經管道壓力突然增大之處時，空化泡體積將急劇縮小、并發生潰滅(恢復到氣核)，并在其周圍狹小的空間范圍內產生高溫(1000oC~5000oC)、瞬時高壓(1~50MPa)等極端環境效應，即形成“熱點”，并伴有強烈的沖擊波、微射流和劇烈湍動等機械效應[2-3，15-16]，同時水溶液可產生羥自由基(·OH)等活化效應[2-3，15-16]，以上效應即為水力空化產生的空化效應.

　　液體內部本身存在的氣核因外界壓力的改變而長大或縮小，這些屬于表觀上的空化泡，但空化的本質是相變過程，是液體與其蒸汽之間的相變.空化泡的產生是由于液體內部局部壓力降低至或低于液體的飽和蒸氣壓時，突然引起液體發生“沸騰”轉變為蒸汽，屬于一個汽化過程[2-3，15].在研究中，水力空化通常可以這樣實現：將流體通過一個具有局部收縮的節流元件，比如文丘里管、幾何孔板等，此時流經節流區域的液體內部產生壓降，并引起節流區域內的液體流速陡然增大，當節流區域內液體內部局部壓力降低至液體的飽和蒸汽壓，甚至低于其飽和蒸汽壓時，液體中夾帶的氣核將膨脹長大形成空化泡并得到釋放，同時液體自身也會發生汽化相變，產生大量的空化泡，從而形成液-汽兩相流，兩相流遇到周圍壓力增大時，其夾帶的空化泡體積將急劇縮小直至潰滅[17-18].

　　2水力空化的判據水力空化實現工程應用的一個重要前提，就是必須使流體產生空化現象，但如何去判斷管道中的流體在一定的工程背景條件下能夠發生，這是需要解決的一個問題.從水力空化的產生機理可知，影響空化發生的因素是多樣的，比如：流體流速、流體溫度、環境壓力、流體粘度、表面張力、空化裝置結構等，但影響水力空化發生的主要兩個因素是：液體內部壓強大小和液體流速大小，所以這兩個物理量常被用來定義空化參數[15，24].

　　空化經典理論認為，液體能夠發生空化的臨界壓強等于液體的飽和蒸汽壓，即液體的飽和蒸氣壓可視為液體內部能夠產生空化時的臨界壓強[2].此時，在一定的操作溫度下，以空化裝置中流體內部某基準點的壓強Po與液體蒸汽壓強Pv之差Po-Pv值越大，則流體越難發生空化，因此Po-Pv值構成了阻止流體空化的力;另一方面，流體流速νo越大，則流體越容易發生空化，因此動壓強ρv2O2構成了促進流體空化的力.此流體發生空化的阻力與動力之比，構成了一個無量綱的準數-空化數，以σ表示，則[2-3，14]：

　　式中，ρ為液體的密度.從式(1)可知，空化數σ值越小，流體越容易發生空化現象，反之越不容易發生空化.由式(1)還可知，空化數σ值與流體流速νo成反比關系;同時根據流體連續性方程可知，在流體流量一定的情況下，流體流速νo和管道內徑尺寸也成反比關系.因此，空化數隨β(β=d/D，d為限流區域的管道直徑，D為限流區域外的管道內徑)增大而增大.

　　一般地，將剛剛發生空化時所對應的空化數稱為初生空化數，以σi表示.而空化消失時所對應的空化數則稱為消失空化數，用σd表示.根據定義σi和σd的表達式分別為[2-3，14]：

　　式中，Poi、Pod分別為空化泡初生及消失時的Po值;νoi和νod分別為空化泡初生和消失時的νo值.

　　顯然，當空化數σ>σi或σ>σd時，空化泡無法產生，即無空化現象發生;而當空化數σ<σi或σ<σd時，空化發生，且σ越小，空化強度越大.由此可見，空化數、初生空化數或消失空化數是判別水力空化中空化現象是否發生，以及確定空化強度大小的重要參數.一般地，當空化數σ=1.5~2.5時，空化現象可以發生，這取決于節流的大小;當σ<1時，空化現象比較明顯[25].

　　3在生物資源領域中的應用

　　水力空化過程中產生的空化效應，包括空化產生的“熱點”效應(瞬時溫度高達5000oC、瞬時高壓可達50MPa)、機械效應(強烈沖擊波、微射流和劇烈湍動)和活化效應(羥自由基)等，以上效應除被廣泛用于水處理外，在生物資源領域也有不少研究.

　　3.1生物多糖降解

　　3.2甘蔗糖汁澄清

　　3.3生物菌類與藻類脫除

　　3.4油脂水解與蛋白改性

　　3.5生物質能源制備

　　4展望

　　水力空化易于實現，過程僅需流體通過一個流通面積呈局部收縮變小的節流元件(如文丘里管、幾何孔板)，當液體的內部壓強降低至或低于其飽和蒸汽壓時即可產生空化現象，并可通過改變限流區域的管道直徑、入口壓力、節流面積、液體流速和液體溫度等形式來調控空化強度，相比于超聲空化，其耗能低、能效高和處理量大等特點，更具有規模性工業化應用優勢.目前，水力空化在水處理、環境保護和材料科學領域都已有所應用，尤其在水處理領域應用更為廣泛.但是，水力空化作為液體特有的現象，其空化產生的“熱點”效應、機械效應和羥自由基效應等空化效應，使其在生物資源領域也逐漸有所突破，研究成果不斷涌現.由此可見，隨著水力空化技術及其理論的不斷發展與完善，其作為一項新型的過程強化手段在生物資源領域的利用是其重要的研究方向，同時也將具有更廣闊的的應用前景.