空化与空蚀在生产生活中的应用

黄刚雷　吴迪　辛毅

【摘 要】随着现代水利机向大型化，高速化发展，空化空蚀越来越引起人们的关注，我们在研究如何规避空化空蚀危害的同时，还应看到空化空蚀有利的一面，空化现在已经在清洗，破碎、切割，水处理，湖泊净化等方面发挥着巨大的作用。本文主要介绍了空化的机理以及空化在生产生活中的应用。

【关键词】空化机；清洗水；处理破碎

0.前言

空化与空蚀是自然界中客观存在的一种物理现象，广泛存在于水利机械中。由于压力的变化而导致的液流内空泡的产生、发展和溃灭过程以及由此产生的一系列物理和化学变化被称之为空化，当空化发生在固体表面，破坏固体材料就形成空蚀。

[1]1912年，在英国万吨级海轮上，发现海轮的低速原动机被高速原动机替代后只能航行很短的时间，其螺旋桨已经被空蚀的不能继续航行，差不多同时，德国和瑞典也都报道了水轮机被空蚀破坏的事情。早在1753年Euler就注意到水管中某处的压强若降低到负值时，水就会与管壁分离，形成一个真空空间。1839年Besant及1873年Beyonlds开始在实验室对空化进行研究。

1.空化产生的机理

1.1空化初生

空化初生是空化在局部压力降至临近液体饱和蒸汽压力的瞬间完成的。纯水能承受张力，但实际自然界中的水不能承受拉力，如果水能承受1Mpa拉应力，根本就不会发生空化。这种差别可以用“空化核”理论解释，液体中存在着破坏液体均匀性的杂质，改变了液体的结构，削弱了液体的抗拉强度，从而为空化的产生提供了条件。

1.2空泡的发育与溃灭

随着液体压力的降低，液体中汽核开始形成汽泡，当压力继续降低时，汽泡在随着流动的过程中不断长大，当进入压力升高的区域时，汽泡则不断缩小而溃灭，这是一个复杂的动态过程。

1.3空蚀

空泡的溃灭过程如果发生在固体表面，从小空泡溃灭中心辐射出冲击压力波会使材料受到破坏，这种由空化作用引起材料的破坏被称为空蚀。当然，关于空蚀的解释还有其他理论，如热力学作用，电化学作用等等。

2.空化空蚀在生产、生活中的应用

2.1在清洗方面的应用

对于清洗我们会有很多方法，有化学清洗，超声波清洗以及新兴起的高压水射流清洗等。空化清洗主要是利用空化射流来实现的，即通过设计特定的喷嘴来诱发空化的产生，从而利用空泡破灭时产生的冲击力来去除固体表面的污垢。虽然空化射流和高压水射流在清洗方面均有可靠、节能、安全、环保、高效等优点，但其作用机理完全和高压水射流不同。高压水射流是利用高速水流的冲击力来进行清洗的，然而空化射流则依靠流束中大量的空化汽泡在固体表面溃灭而产生密集射流冲击作用来达到清洗目的的。[2]相比于高压水射流，空化射流不会产生特别大的冲击力，从而可以保护被清洗物体的防腐层，并且从清洗效率方面来讲，以清洗船舶相同平面为例，高压水射流效率约为100m2/h，而空化射流的效率为130m2/h。所以现在空化射流清洗技术已广泛应用于海洋设施的清洗，主要案例有：

（1）海洋石油结构物清洗（2）海底石油设施的清洗（3）海洋船舶的清洗（4）海岸工程清洗等，当然空化射流清洗技术也在清洗飞机跑道方面得到了很好的应用，并且取得了非常满意的效果。

2.2在保护环境，净化湖泊中的应用

我国是一个湖泊众多的国家，大于1km2的天然湖泊有2300余个，湖泊面积为70988km2，大约占全国陆地面积的0.8%。随着改革开放，城市化进程的不断推进，农药化肥和大量含磷洗涤剂的使用，大量未经处理的城市生活污水、工业废水排入江河湖泊中，导致江河湖泊的水体富营养化日趋严重，水污染问题已经严重制约我国经济的可持续发展。

传统的治理江河湖泊的方法有[3]（1）控制污染源，减少污水的排放；（2）在水面中种植高等植物等生物治理法，让植物在水中生长、吸收氮、磷等营养盐，同时植物的根系对水中悬浮物的吸附也有净化作用；（3）采用清淤挖泥的方法；（4）采取引水冲污的方法稀释水中的氮、磷等营养盐和藻类的浓度。

空化治理营养化水的机理：（1）直接热分解，空化产生的热汽泡内热点温度5200k左右，汽泡壁面上的温度约为1900k，泡内压力约为500Mpa，这样的条件下可以直接杀死细菌、浮游生物；（2）自由基氧化，空泡溃灭时水发生裂解，水中局部产生有高浓度的氧化剂如OH 和H2O2，他们能直接氧化水中的化学污染物；（3）超临界水氧化，水体中空化区域存在着局部超临界水，超临界水具有强氧化能力，可以处理有害有机物。所以可以看出空化法治理具有方便、简单、高效等优点。

2.3在破碎、钻井方面的应用

空化现象发生会产生很大的脉冲压力，射流冲向岩石表面时有时是液体冲击岩石，有时是空泡冲击岩石，由于冲击物的质量波动，造成岩石表面压强波动，导致岩石在瞬时拉应力的作用下破坏和交变应力作用下疲劳损坏，所以空化射流可以大大提高射流对岩石的破碎和切割能力，除了很好的破碎作用外，空化射流破碎还具有安全的特点，特别适合在易燃、易爆的环境下使用。空化射流破碎钻井有如下优势：空化射流掘进机是利用空化射流辅助技术对岩石进行破碎，以往的破碎技术，刀具容易破坏，更换频率高，影响工作进度。研究表明，在空化射流辅助掘进时，材料耗能成本每平米比以往降低34.5%。传统的炮式巷道掘进会产生很多烟尘，使工人作业的环境粉尘浓度极高，这不仅加大了开采的难度，阻碍开采进度，更重要的是威胁着工人的健康。研究表明工作面采用空化射流辅助掘进大大减少了环境中粉尘浓度，仅为普通凿岩的18.5%。因此，空化射流技术在改善环境，保障工人的健康等方面具有其突出的功效。

2.4水处理方面的应用

[4]空化射流特别适合处理乳化含油废水，刘峰、朱南文、王亚林等人研究了不同废水含油浓度、不同表面活性剂含量、不同射流空化强度以及不同油滴粒径与除油率的关系，实验结果表明：在空化系数为0.121的空化强度下，高浓度含油废水经过一次射流空化处理后，去除率可达85%；经过三次处理后去除率大于95%，达到二级排放标准。

3.结束语

长期以来人们都在研究如何规避空化危害的措施，很少有人认识到空化背后可以为我们所用的东西，随着人们对空化机理认识的深入，人们逐渐发现空化的巨大价值，空化已经被越来越多的应用在我们的生产、生活中。在清洗，破碎，水处理等方面有其独特的优势，相信空化会有更加广泛的应用前景。

【参考文献】

[1]杨诗成，王喜魁.泵与风机（第四版）[M].中国电力出版社，2012.

[2]夏宝莹，刘望，郑金豹，黄皓，崔健.空化射流清洗技术及其在水下设施清洗中的应用[J].油气储运，2011.

[3]廖振芳，陈德淑，邓晓刚.利用空化射流清洗湖泊[J].清洗世界，2004.

[4]李健.空化射流技术在水处理中的应用[J].科技信息，2011.