朱 昊

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

從19世紀(jì)后半葉在船舶螺旋槳的葉片上首次發(fā)現(xiàn)空化現(xiàn)象以來，空化科學(xué)理論及實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)開始有了很大程度發(fā)展，并且關(guān)于應(yīng)用空化技術(shù)進(jìn)行作業(yè)的領(lǐng)域也越來越多［1］。盡管空化形成機(jī)理尚不明晰，并且針對(duì)沖蝕機(jī)理的研究成果也相對(duì)較少，然而它所具有的破壞能力是不可置疑的。例如，從航海領(lǐng)域而言，固體壁面周圍空化泡出現(xiàn)湮滅之后，其不但會(huì)導(dǎo)致螺旋槳表面受到嚴(yán)重的氣蝕，同時(shí)其形成的空化噪聲必然會(huì)對(duì)軍艦和潛艇的安全形成嚴(yán)重威脅。因此，本文對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外許多有關(guān)空化和空蝕機(jī)理及其實(shí)際應(yīng)用問題展開詳細(xì)化的介紹，并深入探討空化空蝕射流的基本判據(jù)和空化空蝕射流是否具有較強(qiáng)的抗沖蝕反應(yīng)能力的根本原因。

1 空化與空蝕概述

1.1 空化與空蝕原理

如果液體在恒壓下進(jìn)行加熱處理，此后采用特定的方式進(jìn)行減壓，其達(dá)到某個(gè)特定水平時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸氣或者氣泡，此后其不斷膨脹和發(fā)展。液體在恒溫恒壓下進(jìn)行加熱，達(dá)到一定的沸點(diǎn)而生成水蒸氣氣相的現(xiàn)象被稱為沸騰。液體在溫度保持不變的情況下，其內(nèi)部出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，負(fù)壓區(qū)的液體壓力低于液體的飽和蒸汽壓力，在其負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生空泡的現(xiàn)象被稱為空化［2］。針對(duì)低壓區(qū)而言，空化的中部水流會(huì)涵蓋相對(duì)較多的中部空泡，而在其空泡流經(jīng)中部壓強(qiáng)相對(duì)較高的高壓地區(qū)時(shí)，空泡通常情況下也就會(huì)容易出現(xiàn)發(fā)育潰滅的異常情況。所以空化過程涉及了一到多個(gè)化學(xué)過程，其中比較廣泛具有國(guó)際代表性的過程包括空泡形成、發(fā)育、潰滅等。從客觀的化學(xué)角度而言，空化屬于非恒定性的過程。

此外，在潰滅的時(shí)候往往會(huì)形成較高的壓強(qiáng)，并能夠提升至較高的氣壓水平。當(dāng)空化的崩潰發(fā)生在距側(cè)壁一定距離或靠近側(cè)壁一定距離內(nèi)時(shí)，側(cè)壁將受到連續(xù)的沖擊作用，從而導(dǎo)致材料斷裂或疲勞破壞和剝落，這種現(xiàn)象稱為空蝕［3］。當(dāng)前來講，空蝕問題不但發(fā)生在螺旋槳、工程建筑物上，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)在多樣性的設(shè)備上，其中比較具有代表性的包括管道、油泵等，甚至在深水中運(yùn)動(dòng)的物體上也具有此類問題。

1.2 空化的分類及影響

空化的初生與發(fā)展不但與液體條件存在關(guān)聯(lián)，同時(shí)與空化區(qū)對(duì)應(yīng)的壓力場(chǎng)緊密相關(guān)。結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其可以劃分為多種類型，其中比較具有典型意義的包括游移空化、振蕩空化等，其導(dǎo)致的影響重點(diǎn)包括：

1）造成建筑物表面的空蝕破壞。2）對(duì)于影響泵中水流速的反應(yīng)器給出的流體動(dòng)力學(xué)物理特征。這種影響很大某種程度上就是源自于在空穴效應(yīng)產(chǎn)生之后液相所直接受到的一種連續(xù)性壓力破壞，如此就就會(huì)導(dǎo)致這些液體間的運(yùn)動(dòng)很在極大程度上就會(huì)表現(xiàn)出作為兩相的對(duì)流，并且會(huì)造成這些液體和其他固體之間邊界的彼此相互作用關(guān)系出現(xiàn)顯著性的改變。另外，該阻力問題還可能會(huì)直接造成一些液體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力可能出現(xiàn)大幅度的變化。除流體漩渦空化外，在多數(shù)實(shí)際情況下空化的出現(xiàn)可能會(huì)直接導(dǎo)致流體水流運(yùn)動(dòng)阻力的大大增加。但是，在空化技術(shù)發(fā)展的早期也很有可能會(huì)致使阻力強(qiáng)度有顯著的程度減少。3）引起結(jié)構(gòu)物振動(dòng)。因?yàn)樵谶M(jìn)行空化的時(shí)候，其往往會(huì)產(chǎn)生較大的脈動(dòng)力，而且因?yàn)榭栈哂邢鄬?duì)較強(qiáng)的隨機(jī)性，所以其通常會(huì)造成結(jié)構(gòu)物振動(dòng)。4）產(chǎn)生空化噪聲。在空化泡在潰滅時(shí)會(huì)釋放巨大的能量，這就是空化的聲震效應(yīng)。空化雖然可能造成上述危害，但只要對(duì)其危害加以控制和合理利用，還是永遠(yuǎn)可以為廣大人們服務(wù)的。例如，空化清洗能夠在各種工業(yè)清洗中能夠進(jìn)行廣泛應(yīng)用，空化清洗可以用于工業(yè)切割，油井解堵等多個(gè)方面能夠發(fā)揮較好的作用。國(guó)內(nèi)已經(jīng)也開始嘗試結(jié)合這種除銹原理設(shè)計(jì)完成水下船體除銹處理工作。此外，利用空化技術(shù)發(fā)出的噪聲還甚至可以用來作為回聲聲波探測(cè)儀的聲源等。

1.3 空泡的形成與發(fā)展

空蝕主要是在相關(guān)形成條件消失之后，由于壁面周圍的空泡大量破裂，進(jìn)而導(dǎo)致材料出現(xiàn)明顯的剝蝕。如果要系統(tǒng)性的分析空蝕，必須先對(duì)其形成的機(jī)理與發(fā)展過程進(jìn)行分析。

1）氣核形成理論。自然界中的水通常涵蓋相對(duì)較多的等異相介質(zhì)，如此就大幅度減少了水所具有的抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而造成水體有較大的概率被拉斷，進(jìn)而導(dǎo)致空化問題。水體中涵蓋的小氣泡一般被命名為空化核，它的存在是產(chǎn)生空化的必要條件。

水體中內(nèi)部所含的流動(dòng)氣核物質(zhì)可以細(xì)分為水體表面氣核與內(nèi)部流動(dòng)氣核兩種［4］。表面氣核氣體是泛指水中的某些固體物質(zhì)顆粒尚未完全溶解在物體表面表層裂縫縫隙中的氣體。流動(dòng)氣核能夠伴隨水流高效的運(yùn)動(dòng)。其規(guī)格通常處于較低的水平，其尺寸大概為10-5～10-3cm，人的肉眼通常難以發(fā)現(xiàn)。

2）空泡的發(fā)育。球形空泡的變形主要包括兩種類型［5］，其中第一類主要是指空泡形狀在壓力梯度變化較大的條件下，其外形出現(xiàn)明顯的扁化，繼而出現(xiàn)中心凹入形狀，如果空泡規(guī)格相對(duì)較小，其形狀與球形就愈加偏離，空泡就會(huì)從里至外不斷翻轉(zhuǎn)；另一個(gè)是由于界面的不穩(wěn)定性導(dǎo)致的氣穴表面高度的變化，再生后的球形空泡通常都會(huì)具有粗糙和不規(guī)則的球形外觀。

空泡發(fā)育的整體過程具體參考圖1。當(dāng)外部壓力降低時(shí)，液泡的半徑僅緩慢增加，而當(dāng)其到達(dá)M點(diǎn)時(shí)，當(dāng)壓力不再降低時(shí)，液泡的半徑則迅速膨脹，這就是空化的產(chǎn)生。所以，M點(diǎn)可以看作是氣穴的主要臨界點(diǎn)，此時(shí)可以將其壓強(qiáng)和空泡半徑命名為臨界壓強(qiáng)pe。及臨界空泡半徑Re。

可以將其壓強(qiáng)和空泡半徑命名為臨界壓強(qiáng)pe。及臨界空泡半徑Re。

圖1 空泡發(fā)育過程

3）球形空泡的穩(wěn)定性。假如空泡擾動(dòng)強(qiáng)度幅值不能伴隨持續(xù)時(shí)間不斷持續(xù)衰減，那么一個(gè)空泡運(yùn)動(dòng)具有較高的穩(wěn)定性，假如空泡擾動(dòng)強(qiáng)度幅值伴隨持續(xù)時(shí)間不斷增高，那么其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性必然相對(duì)較差。從定性角度來看，表面上的張力并不直接影響整個(gè)空泡的穩(wěn)定性。因此，在球形空泡不斷壓縮的時(shí)候，唯有在空泡尺度相對(duì)較大的時(shí)候，它的運(yùn)動(dòng)才能夠具有相對(duì)較高的穩(wěn)定性；當(dāng)空泡的體積被壓縮至很小的時(shí)候，整個(gè)氣泡就會(huì)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。

4）空泡的潰滅。空泡在地球潰滅的最后一個(gè)階段其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)頗為復(fù)雜［6］。在其尚未破滅的空泡初始檢測(cè)階段，可以明確認(rèn)為空化仍然依舊是一個(gè)球形的，并且其內(nèi)爆炸的過程仍然是一個(gè)球形對(duì)稱的。可通過高速攝影對(duì)一個(gè)空泡在其直徑內(nèi)的展開進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的高速檢測(cè)，得到的檢測(cè)成果具體參考圖2。為了準(zhǔn)確對(duì)比一個(gè)空泡的直徑、壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化，圖中給出了空泡內(nèi)的直徑隨氣體潰滅后的隨著時(shí)間變化的計(jì)算結(jié)果。結(jié)合該曲線圖我們幾乎可以明顯發(fā)現(xiàn)，兩者之間具有相對(duì)較高的時(shí)間一致性，特別是在空泡的一個(gè)初始階段。

圖2 空泡潰滅過程直徑變化

2 空化射流技術(shù)的應(yīng)用

2.1 空化射流技術(shù)概述

自空化現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，人們便逐漸去利用這種破壞螺旋槳、剝蝕建筑物的有害現(xiàn)象，隨之出現(xiàn)了專門產(chǎn)生空化效應(yīng)來應(yīng)用于各領(lǐng)域的空化噴嘴來產(chǎn)生空化射流。空化射流技術(shù)，是將有害的空化現(xiàn)象和生活中普遍使用的水射流技術(shù)相結(jié)合而形成的一項(xiàng)較為新穎的技術(shù)，即在水射流束中有目的性的地產(chǎn)生許多空化氣泡，空泡破滅過程中會(huì)釋放巨大的能量，以此來提高射流打擊作用。這種技術(shù)很大程度上融合了水射流技術(shù)，并將其與空化現(xiàn)象進(jìn)行有效的銜接，其沖蝕效果非常出眾，工作效率十分理想，所以它在工業(yè)清洗、材料破碎等諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用。另外，因?yàn)樗鼘⒖瘴g現(xiàn)象應(yīng)用至水射流，如此就能夠?qū)ζ渥饔眠M(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用。

其中最為典型的也是應(yīng)用最廣泛的就是自激振蕩型空化噴嘴，這種噴嘴不需要外界的激勵(lì)，依靠自身結(jié)構(gòu)就可以達(dá)到很好的空化效果。如圖3所示。

圖3 自激振蕩型空化噴嘴

2.2 管道清洗

該技術(shù)可以應(yīng)用于管道清洗方面。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，超聲空化清洗技術(shù)與常規(guī)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，其要求的清洗時(shí)間相對(duì)較少，如此必然能夠形成非常理想的經(jīng)濟(jì)效益。比如，可通過該技術(shù)清除聚合物加工廠的管道［7］，如此不但能夠降低停產(chǎn)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也在一定程度上縮減了水的使用量。

另外，該方法對(duì)碳?xì)浠衔镱惓恋砦锏那逑葱Ч浅＠硐?，在這種環(huán)境中有機(jī)化合物明顯降低，而無機(jī)化合物也可以進(jìn)行有效的氧化。通過這種方法也能夠清洗內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的管道，表現(xiàn)出多樣性的優(yōu)點(diǎn)，比如其具有良好的環(huán)保性，消耗的電能較低，效率出眾，經(jīng)濟(jì)性十分理想，不存在嚴(yán)重的腐蝕作用，不會(huì)使濾芯基體受到損傷，裝置的結(jié)構(gòu)非常精簡(jiǎn)，操作難度低等，因此其具有理想的開發(fā)潛力。

2.3 降解水中有機(jī)污染物

根據(jù)空化氣泡在潰滅時(shí)會(huì)釋放巨大能量并產(chǎn)生局部瞬間的高溫高壓環(huán)境［8］，淹沒空化水射流可用于處理含對(duì)硝基苯酚的工業(yè)廢水。結(jié)果表明，水下空化射流不僅可行，而且比超聲波空化方法的能效高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

因?yàn)榭张菰跐绲臅r(shí)候會(huì)形成高溫和高壓［9］，往往會(huì)導(dǎo)致比較復(fù)雜的化學(xué)效應(yīng)，如此就構(gòu)建了全新的化學(xué)反應(yīng)通道。從整體而言，空化水射流化學(xué)效應(yīng)可以表現(xiàn)在多個(gè)層面，其中比較具有代表性的包括直接熱分解、超臨界水氧化等。

相關(guān)學(xué)者還提出將應(yīng)用于一些常規(guī)加工方法難以實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。比如將空化水射流流過規(guī)格較小的燃料噴嘴，經(jīng)過較短的時(shí)間就能夠?qū)⒓庸っ逃行宄?/p>

2.4 材料切割、巖石破碎和油井解堵

因?yàn)榭栈淞髦写嬖谙鄬?duì)較多的空化現(xiàn)象，與常規(guī)水射流進(jìn)行對(duì)比，其明顯增加了射流對(duì)作用物體所表現(xiàn)出的切割效果。因此，空化射流發(fā)展到各個(gè)領(lǐng)域，進(jìn)而提高水射流作業(yè)的整體效率。

空化水射流在現(xiàn)代鉆井工程中也具有良好的應(yīng)用價(jià)值。一般來講，在鉆桿上擴(kuò)增專門的空化裝置之后，可以有效破巖，大幅度優(yōu)化鉆井效率。在現(xiàn)實(shí)情況中，將空化噴嘴附加在鉆頭上，就能夠形成空化射流，進(jìn)而有效的沖蝕目標(biāo)。

對(duì)于自振空化水射流而言，它在形成振蕩射流的過程中，往往會(huì)形成強(qiáng)輻射、深穿透空化噪聲，其對(duì)應(yīng)的頻率大概為10kHz。此類超聲波能夠發(fā)揮多樣性的作用，其中比較具有代表性的包括疏通孔隙、調(diào)整地層滲透性等，如此就可以實(shí)現(xiàn)油井解堵。此外，它可以在使原油分子結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，并大幅度減小原油黏度，使油水界面對(duì)應(yīng)的表面張力明顯降低，進(jìn)而優(yōu)化原油表現(xiàn)出的流動(dòng)性，大幅度增高原油采出水平。

2.5 材料的超細(xì)粉碎

空化水射流可以使從而使物料粉碎。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)用前混合-淹沒空化水射能夠讓物料在較短的時(shí)間內(nèi)快速粉碎，從而得到尺寸不超過10μm的顆粒。一般來講，自振式空化水射流粉碎物料的整體產(chǎn)量與效率先后為球磨機(jī)的6.6倍和3.9倍。

整體而言，空化水射流的應(yīng)用集中在多個(gè)方面，其中比較具有代表性的包括巖石破碎、材料切割等。而伴隨課題研究的進(jìn)一步深入，其逐漸發(fā)展到清洗等類型的行業(yè)，這使其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬。

3 問題分析及總結(jié)展望

在近些年中，盡管對(duì)空化和空蝕機(jī)理的研究取得了一定成果，然而因?yàn)槠湮⒂^、瞬時(shí)等特點(diǎn)，還存在諸多問題尚待更為系統(tǒng)性的研究。另外，結(jié)合流體顯形、數(shù)值模擬等比較現(xiàn)代化的技術(shù)方法，必然使該技術(shù)朝著更微觀的領(lǐng)域快速發(fā)展。

對(duì)該現(xiàn)象的研究結(jié)果不但能夠進(jìn)一步加深對(duì)此類現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，同時(shí)可以避免它對(duì)船舶、機(jī)械等形成的損害。此外，其促使相關(guān)學(xué)者研究怎樣科學(xué)地應(yīng)用該現(xiàn)象所產(chǎn)生的沖擊和噪聲，從而發(fā)揮清洗、破巖等多方面的作用。通過空化噪聲和振動(dòng)沖擊可發(fā)揮多種作用，其中比較具有代表性的包括清洗管道、降低稠油黏稠度以及增加原油采收率等。伴隨該課題研究的進(jìn)一步深入，空蝕和空化射流將在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用，進(jìn)而形成不可忽視的經(jīng)濟(jì)效益。