摘要：水力空化作為液體特有的現(xiàn)象，其本質(zhì)屬于相變過(guò)程，相變產(chǎn)生的空化泡在潰滅瞬間引起的空化效應(yīng)，除廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域外，還被用于生物資源領(lǐng)域中.文章對(duì)水力空化的概念、優(yōu)點(diǎn)、產(chǎn)生機(jī)理和空化判據(jù)，及其近年來(lái)在生物資源領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用新進(jìn)展等進(jìn)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(guī)模放大更易，其作為一種新型過(guò)程強(qiáng)化手段在生物資源領(lǐng)域的應(yīng)用是其重要的研究方向，同時(shí)也將具有更廣闊的的應(yīng)用前景.

　　關(guān)鍵詞：水力空化;生物資源;過(guò)程強(qiáng)化

　　0引言空化是液體特有的現(xiàn)象，是一種在常溫下就能發(fā)生的物理過(guò)程，屬于工程科學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一，迄今已有100多年的歷史[1-3].1893年，英國(guó)海軍的一條驅(qū)逐艦和汽輪機(jī)船先后在航行中突然發(fā)生航速下跌，檢查發(fā)現(xiàn)螺旋槳槳葉被擊穿損壞，后來(lái)發(fā)現(xiàn)是螺旋槳上產(chǎn)生空化泡的原因，這是人們對(duì)空化的第一次感性認(rèn)識(shí)[2-3].隨后，1897年英國(guó)Barnaby等一起研究船舶螺旋槳推進(jìn)效率嚴(yán)重下降的原因，將擊穿螺旋槳槳葉的這種水動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象定義為空化(Cavitation)，這是歷史上第一次提出“空化”這個(gè)概念[2-3].此后，業(yè)內(nèi)把液體內(nèi)局部產(chǎn)生壓降或處于低壓時(shí)，在液體自身內(nèi)部或在液體與固體界面上發(fā)生液體與其蒸汽之間的相變過(guò)程，即空化泡的生長(zhǎng)、發(fā)展和潰滅的過(guò)程與現(xiàn)象稱為空化[4-5].

　　空化產(chǎn)生的方式可以是多樣的，一般根據(jù)其產(chǎn)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(jiǎn)易的操作以及易于在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)，成為業(yè)內(nèi)學(xué)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(guò)程能量分布集中、空化效應(yīng)劇烈，在細(xì)胞破碎[7]、超聲乳化[8]、超聲萃取[9]、有機(jī)物降解[10]等諸多領(lǐng)域都已取得了不少研究成果.但是，工業(yè)化實(shí)現(xiàn)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(yīng)，能量利用率低，且其產(chǎn)生的空化效應(yīng)只發(fā)生在超聲變幅桿換能器附近很小的區(qū)域內(nèi)，形成非均勻的局部強(qiáng)化場(chǎng)，使其應(yīng)用范圍和應(yīng)用規(guī)模受到了很大地限制[12-13].因此，水力空化開始成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn).水力空化過(guò)程中，由于節(jié)流元件引起的壓降促使空化泡的產(chǎn)生，形成液體-空化泡二者一起隨流體輸送的方向作整體運(yùn)動(dòng)，因而空化泡分布范圍更寬且更為均勻，避免了超聲空化產(chǎn)生的空化泡在狹小區(qū)域內(nèi)過(guò)于集中的缺陷，從而可在液體較大區(qū)域范圍內(nèi)形成一個(gè)比較均勻的空化強(qiáng)化場(chǎng)，并且具有簡(jiǎn)便易行、能耗低、能效高和易實(shí)現(xiàn)規(guī)模化等優(yōu)點(diǎn)，這是其工業(yè)化應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)所在[12-13].

　　1水力空化產(chǎn)生的機(jī)理

　　水力空化僅在流動(dòng)的液體中發(fā)生，且發(fā)生場(chǎng)合是多樣的，例如管道內(nèi)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(tài)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(dāng)管道內(nèi)流動(dòng)的液體由于節(jié)流現(xiàn)象引起液體內(nèi)部壓強(qiáng)降低時(shí)，空化的初生首先從氣核開始，然后膨脹長(zhǎng)大，形成了肉眼可見的、直徑較大的空化泡，此時(shí)在壓強(qiáng)降低區(qū)域形成液體-空化泡(氣體)的“兩相流”運(yùn)動(dòng)[14-15].當(dāng)夾帶空化泡的液體“兩相流”流經(jīng)管道壓力突然增大之處時(shí)，空化泡體積將急劇縮小、并發(fā)生潰滅(恢復(fù)到氣核)，并在其周圍狹小的空間范圍內(nèi)產(chǎn)生高溫(1000oC~5000oC)、瞬時(shí)高壓(1~50MPa)等極端環(huán)境效應(yīng)，即形成“熱點(diǎn)”，并伴有強(qiáng)烈的沖擊波、微射流和劇烈湍動(dòng)等機(jī)械效應(yīng)[2-3，15-16]，同時(shí)水溶液可產(chǎn)生羥自由基(·OH)等活化效應(yīng)[2-3，15-16]，以上效應(yīng)即為水力空化產(chǎn)生的空化效應(yīng).

　　液體內(nèi)部本身存在的氣核因外界壓力的改變而長(zhǎng)大或縮小，這些屬于表觀上的空化泡，但空化的本質(zhì)是相變過(guò)程，是液體與其蒸汽之間的相變.空化泡的產(chǎn)生是由于液體內(nèi)部局部壓力降低至或低于液體的飽和蒸氣壓時(shí)，突然引起液體發(fā)生“沸騰”轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝瑢儆谝粋€(gè)汽化過(guò)程[2-3，15].在研究中，水力空化通常可以這樣實(shí)現(xiàn)：將流體通過(guò)一個(gè)具有局部收縮的節(jié)流元件，比如文丘里管、幾何孔板等，此時(shí)流經(jīng)節(jié)流區(qū)域的液體內(nèi)部產(chǎn)生壓降，并引起節(jié)流區(qū)域內(nèi)的液體流速陡然增大，當(dāng)節(jié)流區(qū)域內(nèi)液體內(nèi)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(shí)，液體中夾帶的氣核將膨脹長(zhǎng)大形成空化泡并得到釋放，同時(shí)液體自身也會(huì)發(fā)生汽化相變，產(chǎn)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(shí)，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(jù)水力空化實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的一個(gè)重要前提，就是必須使流體產(chǎn)生空化現(xiàn)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(fā)生，這是需要解決的一個(gè)問(wèn)題.從水力空化的產(chǎn)生機(jī)理可知，影響空化發(fā)生的因素是多樣的，比如：流體流速、流體溫度、環(huán)境壓力、流體粘度、表面張力、空化裝置結(jié)構(gòu)等，但影響水力空化發(fā)生的主要兩個(gè)因素是：液體內(nèi)部壓強(qiáng)大小和液體流速大小，所以這兩個(gè)物理量常被用來(lái)定義空化參數(shù)[15，24].

　　空化經(jīng)典理論認(rèn)為，液體能夠發(fā)生空化的臨界壓強(qiáng)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(nèi)部能夠產(chǎn)生空化時(shí)的臨界壓強(qiáng)[2].此時(shí)，在一定的操作溫度下，以空化裝置中流體內(nèi)部某基準(zhǔn)點(diǎn)的壓強(qiáng)Po與液體蒸汽壓強(qiáng)Pv之差Po-Pv值越大，則流體越難發(fā)生空化，因此Po-Pv值構(gòu)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(fā)生空化，因此動(dòng)壓強(qiáng)ρv2O2構(gòu)成了促進(jìn)流體空化的力.此流體發(fā)生空化的阻力與動(dòng)力之比，構(gòu)成了一個(gè)無(wú)量綱的準(zhǔn)數(shù)-空化數(shù)，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(shù)σ值越小，流體越容易發(fā)生空化現(xiàn)象，反之越不容易發(fā)生空化.由式(1)還可知，空化數(shù)σ值與流體流速νo成反比關(guān)系;同時(shí)根據(jù)流體連續(xù)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(nèi)徑尺寸也成反比關(guān)系.因此，空化數(shù)隨β(β=d/D，d為限流區(qū)域的管道直徑，D為限流區(qū)域外的管道內(nèi)徑)增大而增大.

　　一般地，將剛剛發(fā)生空化時(shí)所對(duì)應(yīng)的空化數(shù)稱為初生空化數(shù)，以σi表示.而空化消失時(shí)所對(duì)應(yīng)的空化數(shù)則稱為消失空化數(shù)，用σd表示.根據(jù)定義σi和σd的表達(dá)式分別為[2-3，14]：

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

　　顯然，當(dāng)空化數(shù)σ>σi或σ>σd時(shí)，空化泡無(wú)法產(chǎn)生，即無(wú)空化現(xiàn)象發(fā)生;而當(dāng)空化數(shù)σ<σi或σ<σd時(shí)，空化發(fā)生，且σ越小，空化強(qiáng)度越大.由此可見，空化數(shù)、初生空化數(shù)或消失空化數(shù)是判別水力空化中空化現(xiàn)象是否發(fā)生，以及確定空化強(qiáng)度大小的重要參數(shù).一般地，當(dāng)空化數(shù)σ=1.5~2.5時(shí)，空化現(xiàn)象可以發(fā)生，這取決于節(jié)流的大小;當(dāng)σ<1時(shí)，空化現(xiàn)象比較明顯[25].

　　3在生物資源領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　水力空化過(guò)程中產(chǎn)生的空化效應(yīng)，包括空化產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”效應(yīng)(瞬時(shí)溫度高達(dá)5000oC、瞬時(shí)高壓可達(dá)50MPa)、機(jī)械效應(yīng)(強(qiáng)烈沖擊波、微射流和劇烈湍動(dòng))和活化效應(yīng)(羥自由基)等，以上效應(yīng)除被廣泛用于水處理外，在生物資源領(lǐng)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(zhì)能源制備

　　4展望

　　水力空化易于實(shí)現(xiàn)，過(guò)程僅需流體通過(guò)一個(gè)流通面積呈局部收縮變小的節(jié)流元件(如文丘里管、幾何孔板)，當(dāng)液體的內(nèi)部壓強(qiáng)降低至或低于其飽和蒸汽壓時(shí)即可產(chǎn)生空化現(xiàn)象，并可通過(guò)改變限流區(qū)域的管道直徑、入口壓力、節(jié)流面積、液體流速和液體溫度等形式來(lái)調(diào)控空化強(qiáng)度，相比于超聲空化，其耗能低、能效高和處理量大等特點(diǎn)，更具有規(guī)模性工業(yè)化應(yīng)用優(yōu)勢(shì).目前，水力空化在水處理、環(huán)境保護(hù)和材料科學(xué)領(lǐng)域都已有所應(yīng)用，尤其在水處理領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛.但是，水力空化作為液體特有的現(xiàn)象，其空化產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和羥自由基效應(yīng)等空化效應(yīng)，使其在生物資源領(lǐng)域也逐漸有所突破，研究成果不斷涌現(xiàn).由此可見，隨著水力空化技術(shù)及其理論的不斷發(fā)展與完善，其作為一項(xiàng)新型的過(guò)程強(qiáng)化手段在生物資源領(lǐng)域的利用是其重要的研究方向，同時(shí)也將具有更廣闊的的應(yīng)用前景.