（流体机械及工程专业论文）水力空化法破解剩余污泥的实验研究.pdf

乙王；己o 7 l at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y t h er e s e a r c ho fe x c e s ss l u d g et r e a t m e n tb y h y d r o d y n a m i c a lc a v i t a t i o n b ys o n gj u nw e i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h ut o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 9川8删53 4哪8劓劓i_y 下上=j：_二r f l i 乍l 警h fil-r l 了 ，孳 f 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 j 舷 恩o 学位论文作者签名：罘 e l 期：卿8 。7 ，j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：溶缀压 签字日期：加8 7 、f 两年瓯 导师签名： 签字日期： b8 。7 i i 东北大学硕士论文摘要 水力空化法破解剩余污泥的实验研究 摘要 污泥厌氧消化过程中，污泥水解需要消耗很长的时间，成为整个污泥处理过程的限 速步骤。如在厌氧消化前，对污泥进行破解预处理，打破细胞壁，使污泥中细菌细胞内 含物溶出，可加速污泥的水解过程，以达到缩短消化时间，减少消化池容积，提高甲烷 产量的目的。本课题采用机械装置空化技术，破解m b r 膜生物反应器处理后的剩余活性 污泥。主要研究内容是：不同进出口压力、破解时间、污泥浓度对污泥破解效果的影响； 通过投加自由基消除剂碳酸氢钠的实验，探讨水力空化法破解剩余活性污泥的反应机 理；研究水力空化法与碱协同作用对剩余活性污泥破解效果的影响。 本实验研究结果表明，采用空化技术破解剩余活性污泥，可以破坏污泥絮体及污泥 细胞，使胞内物质由污泥相进入水相，导致水相中d o c 、s c o d 值增加；污泥中粒子中央 直径减小。d o e 、s c o d 增加值随作用时间及污泥浓度的增加而增加，随进出口压力的减 小在相同的作用时间内，d o c 、s c o d 增加值增大，但经过1 2 0 m i n ( 空化2 4 次) 以上时， d o c 、s c o d 增加值差别不大，基本稳定。但是，在较低剩余活性污泥浓度下，增加值随 时间变化较慢，但最终也可接近稳定。水力空化法与碱协同作用可以明显提高水力空化 法的作用效果。 本研究通过投加羟基消除剂n a h c o 。以消除羟基氧化影响，分析水力空化法破解污泥 的机理。结果发现，在空化能发生的前提下，进出口压力是影响水力空化破解污泥效果 的主要因素，羟基氧化几乎不起作用。 关键词：剩余污泥水力空化破解碱 啊 东北大学硕士论文a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fe x c e s ss l u d g et r e a t m e n tb yh y d r o d y n a m i c a l c a v i t a t i o n a b s t r a c t i nt h ec a s eo fe x c e s sa c t i v es l u d g ed i g e s t i o n ，t h eb i o l o g i c a lh y d r a u l i ch a sb e e ni d e n t i f i e d a st h er a t e - l i m i t i n gs t e p i fs o m em e t h o d sa r ea p p l i e da sp r e t r e a t m e n tt od i s i n t e g r a t et h e s l u d g ef i o c sa n dd i s r u p tb a c t e r i a lc e l l s w a l l ，t h eh y d r o d y n a m i cc a l lb ei m p r o v e dal o t ，s ot h a t t h er e s i d e n c et i m ec a l lb es h o r t e n e d ，f e r m e n t e rv o l u m eb er e d u c e d ，m e t h a n ep r o d u c t i o nb e s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d i nt h i sp a p e r , t h ep r e t r e a t m e n to fe x c e s sa c t i v es l u d g eb yc a v i t a t a t i o n d i s i n t e g r a t i o no nal a b o r a t o r y s c a l ei ss t u d i e d t h es l u d g ed i s i n t e g r a t e di nt h er e s e a r c hi s c u l t i v a t e du s i n gm b rp r o c e s se x c e s sa c t i v es l u d g e t h i ss t u d yc o v e r st h ef o l l o w i n g ：t h e e f f e c to fc h a n g i n gi n p u ta n do u t p u tp r e s s ，s l u d g ec o n c e n t r a t i o na n dd i s i n t e g r a t i o nt i m eo nt h e d i s i n t e g r a t i o nr e s u l t ；t h em e c h a n i s mo fc a v i t a t i o nd i s i n t e g r a t i o nb ya d d i n gn a h c 0 3t o e l i m i n a t et h ec o n t r i b u t i o no fh y d r o x y l ；t h ei m p r o v e m e n to fd i s i n t e g r a t i o nb yc o m b i n i n g c a v i t a t i o na n da l k a l i n e i th a sb e e nf o u n dt h a ta p p l y i n gc a v i t a t i o na sp r e t r e a t m e n tt od i s i n t e g r a t es l u d g ei sa n e f f e c t i v em e t h o dw h i c hc a nb r e a ku ps l u d g ef l o e sa n dd i s r u p tb a c t e r i a lc e l l s w a l la n dl e a dt o t h er e l e a s eo fi n t r a c e l l u l a rm a t e r i a li n t ot h es l u d g es u p e r n a t a n t a f t e rb e i n gd i s i n t e g r a t e d ，t h e d o c ，s c o di nt h es l u d g es u p e r n a t a n ti si n c r e a s e dg r e a t l y t h ei n c r e m e n to fd o c ，s c o di s e n h a n c e dw i t ht h ea u g m e n to fi n p u ta n do u t p u tp r e s s ，s l u d g ec o n c e n t r a t i o na n dd i s i n t e g r a t i o n t i m e b u tt h ei n c r e m e n to fd o c ，s c o di ss t o p p e da f t e rt w oh o u r s ( 2 4 t i m e s ) h o w e v e r , u n d e r l o ws l u d g ec o n c e n t r a t i o n ，t h ei n c r e m e n to fd o c ，s c o di sv e r ys l o w l y , c o u l da l s ob a l a n c e c o m b i n i n gc a v i t a t i o na n da l k a l i n ec a ni m p r o v et h ee f f e c to fd i s i n t e g r a t i o nal o t b y a d d i n gn a h c 0 3t oe l i m i n a t et h eh y d r o x yc o n t r i b u t i o nt ot h ec a v i t a t i o ns l u d g ed i s i n t e g r a t i o n ， t h em e c h a n i s mo fd i s i n t e g r a t i o ni si n v e s t i g a t e d n o m e t e rw h a ti n p u tp r e s si s ，t h ec o n t r i b u t i o n o fh y d r o x y lb e c o m e sl e s sa n dl e s s ，t h em a i nc o n t r i b u t i o nt ot h ed i s i n t e g r a t i o ni sh y d r a u l i c s h e a rf o r c e k e yw o r d s ：e x c e s ss l u d g e ，h y d r o d y n a m i c a lc a v i t a t i o n ，d i s i n t e g r a t i o n ，a l k a l i n e l 卜tii 东北大学硕士论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i l l 目录i v 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 剩余污泥的产生1 1 1 2 污泥对环境的影响1 1 2 污泥处理处置原则及基本方法：2 1 2 1 污泥处理处置原则2 1 2 2 污泥的常规处理方法2 1 2 3 剩余污泥的厌氧消化处理3 1 3 国内外污泥处理研究现状4 1 4 水力空化现象及产生的机理5 1 4 1 空化的产生和空化效应5 1 4 2 气核、进出口压力6 1 4 3 空泡的溃灭1 0 1 5 本研究的主要目标及内容1 2 1 6 小结1 3 第二章本课题的实验装置及实验方法1 5 2 1 污泥来源1 5 2 2 实验装置1 5 2 3 实验中关键问题的解决1 7 2 3 1 空化板孔堵塞的解决1 7 2 3 2 成分分析问题的解决1 7 2 3 3 空化过程中问题的解决1 7 i v 东北大学硕士论文目录 2 4 实验方法1 8 2 5 分析项目、实验仪器1 8 2 5 1 分析项目1 8 2 5 2 实验仪器1 9 第三章水力空化法破解剩余污泥实验2 1 3 1 含固率为1 的剩余污泥空化破解实验结果2 l 3 1 1 剩余污泥粒度的变化2 1 3 1 2d o c t o c ( ) 的变化2 3 3 1 3s c o d 的变化2 3 3 1 4 污泥破解前后固体物质含量的变化2 6 3 1 5 温度的变化2 8 3 i 6p h 值的变化2 9 3 1 7 氨氮渗出及其与m l v s s 减少量的关系3 0 3 1 8 比能耗与s c o d 、固体及温度升高值的关系3 2 3 2 含固率为0 5 的剩余污泥空化破解实验结果3 5 3 2 1 剩余污泥粒度的变化3 5 3 2 2d o c t o c ( ) 的变化3 6 3 2 3s c o d 的变化3 7 3 2 4 污泥破解前后固体含量的变化4 1 3 2 5 温度的变化4 2 3 2 6p h 值变化4 3 3 2 7 氨氮变化4 4 3 2 8 比能耗与s c o d 、固体及温度升高值的关系4 4 3 3 两种不同含固率的污泥破解效果比较4 8 3 3 1 粒度的比较4 8 3 3 2d o c t o c ( ) 的比较4 8 3 3 3s c o d 产率比较4 9 3 3 4 比能耗与s c o d 增加值关系比较5 0 3 3 5 温度升高值比较5 1 v 东北大学硕士论文目录 3 4 本章小结5 2 第四章水力空化法与碱协同作用破解剩余污泥5 5 4 1 粒度的变化5 5 4 2d o c t o c ( ) 的变化5 5 4 3s c o d 的变化5 6 4 3 1s c o d 增加值的变化5 6 4 3 2s c o d 溶出率的变化5 9 4 4 温度的变化6 l 4 5p h 值的变化6 1 4 6 氨氮的变化6 2 4 7 本章小结6 3 第五章水力空化法破解剩余污泥机理研究6 5 5 1 水力空化法破解污泥反应机理探讨6 5 5 1 1 水力空化法破解污泥反应途径概述6 5 5 1 2 水力空化法破解污泥过程中的主要作用力分析实验6 7 5 2 本章小结7 0 第六章结论与展望7 l 6 1 结论7 1 6 2 展望7 2 参考文献7 3 致谢7 7 v i 东北大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 剩余污泥的产生 第一章绪论 目前世界近9 0 的城市污水处理采用活性污泥法工艺，该种工艺一直存在一个很大 的弊端，就是会产生大量的剩余污泥n 2 1 。剩余污泥是污水处理的副产物，是一种由有 机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。其中含有大量的水 分( 9 5 - 9 9 ) 、挥发性物质、病原体、寄生虫卵、重金属、盐类及某些难分解的有机 物，体积庞大，且易腐化发臭，如不加处理，任意排放会对环境造成严重污染口“射。 污水的二级生物处理工艺( 生物膜法和活性污泥法) 主要去除污水中呈胶体和溶解 状态的有机污染物质，有机物从污水中去除过程的实质就是有机底物作为营养物质被微 生物摄取、代谢与利用的过程。这一过程的结果是污水得到净化，微生物获得能量合成 新的细胞。在稳定运行的生物处理系统中，为维持恒定的生生物量，每天新增加生物细 胞物质，需要作为剩余污泥( 活性污泥法) 和脱落的生物膜排放。污泥处理是比污水处 理耗费更大的工程。虽然剩余污泥的产生量通常仅为处理废水体积的l 以下1 ，但其 处理费用一般占到污水处理厂总运行费用的2 5 4 0 ，甚至高达6 0 盯1 。剩余污泥如 果处理或处置不当，会对环境形成危害。因此，无论从污染物净化的完善程度，废水处 理技术开发中的重要性及投资比例，污泥处理都占有重要地位。 随着污水处理设施的普及，处理效率和处理深度的提高，污泥的产生量不断增长。 一般剩余污泥约占污水处理量的0 3 , - - - 0 5 ( 按含水率9 7 计) ，数量十分惊人。污泥处 理的投资和运行费用也相当巨大，可占污水处理厂总投资及运行费用的2 0 - 6 0 陋9 1 ，成 为城市污水处理厂所面临的沉重负担。随着城市人口的增长、市政服务设施的不断完善， 我国城市污水量在未来2 0 年还会有较大增长，预计2 0 1 0 年污水排放量将达到4 4 0 x 1 0 8m a d ，2 0 2 0 年污水排放量将达到5 3 6x1 0 8m 3 d n 0 1 ，相应的污泥产量也会显著增长。 因此，经济有效地处理剩余污泥，减少污泥产量，保证污水处理厂的正常运行和处理效 果，实现剩余污泥减容化、无害化、稳定化、资源化的研究，将是今后污水处理研究领 域中的重要课题。 1 1 2 污泥对环境的影响 ( 1 ) 污泥对环境的有用性 东北大学硕士论文第一章绪论 污泥中含有大量的n ，p ，k ，c a 及有机质，而且n ，p 以有机态为主，同时污泥中 还有许多植物所必须的微量元素，可以缓慢释放，具有长效性。因此，污泥是有用的生 物资源，是很好的土壤改良剂和肥料。从长远来看，我国污水厂污泥中氮、磷的含量将 随着脱氮脱磷等二级污水处理工艺的增加而增加，这将有利于污泥土地利用和堆肥处 理。 ( 2 ) 污泥对环境的污染 尽管污泥含有丰富的养分，但是也含有大量病原菌、寄生虫( 卵) ，铜、锌、铬、汞 等重金属、盐类以及多氯联苯、二垩英、放射性核素等难降解的有毒有害物，这些物质 对环境和人类以及动物健康有可能造成较大的危害。在污水处理过程中，7 0 9 0 的重 金属元素通过吸附或沉淀而转移到污泥中，污泥含盐量较高，会明显提高土壤电导率， 破坏植物养分平衡、抑制植物对养分的吸收，甚至对植物根系造成直接的伤害；污水中 的病原体( 病原微牛物和寄生虫) 经过处理还会进入污泥；经过脱水后的污泥有臭味，若 处理不当，会随雨水等进入水体，引起二次污染；由于污泥成分的复杂，对环境的污染 日益加重，因而污泥处理技术已经成为重要的环保课题之一。 1 2 污泥处理处置原则及基本方法 1 2 1 污泥处理处置原则 污泥处理处置也应同其他固体废弃物一样遵循减量化、稳定化、无害化原则，污泥 处理应实现： ( 1 ) 、污泥减量化，减少污泥最终处理前的体积，降低污泥处理处置的费用； ( 2 ) 、污泥稳定化，使污泥中有机组分转化成稳定的最终产物，保证污泥的长期稳 定； ( 3 ) 、使污泥达到无害化和卫生化，减少污泥中的病原菌及金属离子等有毒有害物 质的二次污染的可能性； ( 4 ) 、污泥资源化，在解决污泥问题的同时使其资源化，达到综合利用和保护环境 的目的。 1 。2 2 污泥的常规处理方法 ( 1 ) 、填埋 卫生填埋操作相对简单，投资费用较小，处理费用较低，适应性强。但大量污泥进 入填埋场给场区内带来极大的安全隐患：一方面，高含水量的污泥大大增加了填埋渗透 一2 一 东北大学硕士论文第一章绪论 液产生量，同时颗粒细小的污泥极易堵塞渗透液的收集和排水管道；另一方面，由于污 泥的流变性使得场内垃圾填埋体容易变形，成为人为“沼泽地 ，这些安全隐患导致填 埋场拒绝接受剩余污泥。 ( 2 ) 、污泥农用 污泥农用投资少，能耗低，运行费用低，其中有机部分可转化成土壤改良剂成分， 因此污泥土地利用被认为是最有发展潜力的一种处置方式。影响污泥农用的主要因素是 重金属污染、病原体、难降解有机物及n ，p 的流失对地表水和地下水的污染。 ( 3 ) 、污泥焚烧 以焚烧为核心的处理方法是最彻底的处理方法，它能使有机物全部碳化，杀死病原 体，可最大限度地减少污泥体积，但是其缺点在于处理设施投资大，处理费用高，有机 物焚烧会产生二垩英等剧毒物质。 ( 4 ) 、海洋倾倒 海洋倾倒操作简单、对于沿海城市来说其处理费用较低，但是，随着生态环境意识 的加强，人们越来越多地关注污泥海洋倾倒对海洋生态环境可能存在的影响。 1 2 3 剩余污泥的厌氧消化处理 1 2 3 1 剩余污泥的厌氧消化处理的目的 污泥厌氧消化不仅现在是，而且未来仍是应用最为广泛的污泥稳定化工艺。厌氧消 化较其他稳定化工艺获得广泛应用的原因是它具有以下优点： ( 1 ) 产生能量( 甲烷) ： ( 2 ) 使最终需要处置的污泥体积减少3 0 - - - , 5 0 ； ( 3 ) 消化完全时，可以消除恶臭； ( 4 ) 杀死病原微生物： ( 5 ) 消化污泥容易脱水，含有机肥效成分，适用于改良土壤。 1 2 3 2 厌氧消化的原理 厌氧消化( 以下简称消化) 是利用厌氧条件下厌氧菌群的作用，使有机物经液化、 气化而分解成稳定物质的过程；在这一过程中，部分病菌、寄生虫卵被杀死，固体达到 减量化的目的。厌氧消化分为三个阶段：第一阶段是在水解与发酵细菌的作用下，使碳 水化合物、蛋白质、脂肪水解与发酵转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油、及二氧化碳、 氢等；第二阶段是在产氢产酸的作用下，将第一阶段的产物转化成氢、二氧化碳和乙酸： 一3 钯， 东北大学硕士论文第一章绪论 第三阶段是甲烷化过程，即通过产甲烷菌的作用，生成甲烷。污泥厌氧消化的控制步骤 是水解步骤n h1 2 1 。 1 2 3 3 现在国内污水处理厂处理污泥是存在的问题及污泥破碎作为厌氧消化预处理中 的意义 我国应用最广的厌氧消化技术是厌氧中温消化技术，但是污泥中温厌氧消化艺存在 着反应速度慢，污泥在池内的停留时间过长，池体体积庞大，操作管复杂，产气中甲烷 含量低等缺点。国内大部分大型污水处理厂一般均建设有污消化池，但真正能够正常运 行使用却不多。 1 3 国内外污泥处理研究现状 污泥处理技术可划分为两大类，即抛弃型技术和资源化技术。随着可持续发展战略 及循环经济的提出，污泥的资源化技术逐渐成为研究的热点。目前国内外所采用污泥资 源化技术主要有：污泥堆肥、消化制沼气、污泥燃料化、建材等：无论是何种污泥处理 技术，污泥破解调质等预处理是必不可少的，而且预处理效果的好坏直接影响着污泥资 源化的成本和技术可行性n 3 一钔。 剩余污泥中绝大多数有机成分存在于微生物细胞内，微生物细胞的细胞壁是一稳定 的半刚性结构，属于生物难降解惰性物质，不易破解，导致厌氧污泥消化过程停留时间 较长，同时细胞壁的水解反应是污泥厌氧消化速率的限制步骤n 5 m 1 。为缩短污泥厌氧消 化时间，减少污泥量和消化池体积，国外对污泥预处理技术有许多研究，这些研究主要 集中在污泥厌氧消化前进行污泥破解，以促进消化速率n7 1 。污泥破解的目的就是破坏污 泥的结构和生物细胞壁，使污泥絮体结构发生变化，细胞的内含物流出，进入液相，从 而变难降解的固体性物质为易降解的溶解性物质n 引。污泥破解后，液相中的有机物含量 会在较短时间内大大增加，从而缩短厌氧消化的停留时间。污泥破解程度较大时，可以 终止污泥中微牛物的活性，使污泥不经厌氧消化，直接达到稳定化，同时破解后污泥的 沉降性能和脱水性能也得到改善，污泥量减少n9 舯1 。 污泥破解技术主要有：物理法、化学法、生物方法及一些组合的方法。其中化学方 法需要投加大量药剂，投加量控制困难。牛物方法往往投资大且操作控制复杂。物理方 法中的加热法易造成反应器的腐蚀，污泥量较大时，对操作管理技术的要求较高；机械 方法设备简单，效果好，但能耗较高啦! 盟2 引。总的来说，机械方法相对易于推广，采用 科学的技术手段，降低能耗是机械方法研究的关键。c h i o 乜钔等人研究了高压喷射法对 一4 一 东北大学硕士论文第一章绪论 污泥破解的影响。该方法利用高压泵将污泥加压，经过一直径很小的喷嘴( 由1 2m m ) ， 高速( 3 0 1 0 0m s ) 喷射至一平板上，强大的撞击力是导致污泥破解的主要原因，而 后污泥进入贮泥池。一般在喷射压力为5 0b a r 状况下，处理5 次，可以使8 6 的总 蛋白质溶出。j m u ll e r 嘲等人研究了搅拌研磨对污泥破解的影响。研究结果表明，当 能量输出为1 0 0 0 0k j k g s s 时，化学需氧量c o d 的溶出率可达9 0 。u w en e i s 等人瞳6 删 还进行了利用低频超声波技术处理污泥( 5 3 初沉污泥、4 7 剩余污泥) 及其对中温厌氧 消化促进作用的中试研究。结果发现，利用超声波( 3 1k h z ，3 6k w ) 处理污泥6 4 秒 后，污泥中溶解性化学需氧量( s c o d ) 从6 3 0m g l 提高到2 2 7 0m g l 。此外，我国学 者曹秀芹等瞳刚研究了不同声能密度下，超声破解剩余污泥的情况。结果表明，声能密度 为o 2 5w m l ，破解污泥3 0m i n ，污泥上清液中溶解性化学需氧量( s c o d ) 值从1 3 3m g l 上升到2 5 6 6m g l ；而声能密度为o 5w m 1 下，破解污泥3 0 m i n 后s c o d 值从1 3 3 m g l 上升到4 5 3 2m g l 。总的来说，以上方法都可以有效的破坏污泥结构及生物细胞 壁，释放其胞内物质，但能耗较高。j o y t i 例作了关于超声波法能耗的研究。结果表 明，超声波法破解每一立方米的污泥，耗能约1 7 9 2m j 。能耗偏高的主要原因在于：利 用超声波处理污泥，除超声波发牛装置的热损失之外，超声空化作用所产生的大部分能 量被污泥吸收而没能有效作用于污泥生物细胞壁。 1 4 水力空化现象及产生的机理 0 1 4 1 空化的产生和空化效应 众所周知，在常温常压下，液体分子会逸出表面而成为气体分子，我们把这个过程 称为“汽化”，它又分为蒸发和沸腾两种方式，蒸发发生在液体表面，而且在任何温度 下都会发生，而沸腾则是在整个液体内部发生的剧烈汽化过程，此时液体内部会有大量 气泡产生，常压下沸腾仅在沸点时才发生。如果保持水流速度不变，降低水面压强，当 达到一个临界值时，水体内部原来含有的很小的气泡( 通称气核) 将迅速膨胀，在水中 形成含有水蒸气或其它气体的明显气泡，这种现象类似于沸腾。为了与沸腾相区别，常 把压强降低使水( 或其它液体) 发生汽化的过程称为“空化”( c a v i t a t i o n ) 。空化在 水中形成的空洞称为“空穴”( c a v i t y ) ，球形空穴称为空泡，较大的空穴称为空腔，带 有空穴的水流称为空穴流。流体流经局部区域，如果压强低于某临界值时，流体也会发 牛空化。在低压区空化的液体带着大量的空泡形成了“两相流流动，因此破坏了液体 宏观上的连续性。如果挟带着空泡的流体流经下游压力较高的区域时，空泡将发生溃灭 一5 一 东北大学硕士论文第一章绪论 ( c o l l a p s e ) 。因此空化现象包括空泡的发生、发育和溃灭，是一个非稳态过程。研究 表明：空泡溃灭时，极短时间内在空泡周围的空间出现热点( h o t s p o t ) ，热点产生出 1 9 0 0 u5 2 0 0k 高温和超过5 0 6 5 x1 0 7 p a 的高压，温度变化率高达1 0 9k s ，并伴随强 烈的冲击波和速度达4 0 0 k m h 的微射流，这种极端高温、高压、高射流是以每秒数万次 连续作用产生的，有时还会有发光、发射低频电磁波等现象，空化现象所具有的这种特 性被称为“空化效应 。 当溃灭发生在固体表面附近时，流体这种高压强的反复作用，可以破坏固体表面， 这种现象称为“空蚀”，起初人们研究空化现象的目的就是为了避免空蚀现象。后来人 们发现空化现象所蕴含的这种巨大能量能冲刷固体表面、提高流体温度、强化传热、破 坏分子化学键等功能，因此空化效应开始广泛应用于各个领域，如掺气水射流、空化清 洗技术、污水处理以及对化工过程和传热过程的强化作用。水力空化现象通常可以这样 实现：流体流过一个收缩装置( 如几何孑l 板，文丘里管等) 时产生压降，当压力降至饱和 蒸汽压甚至负压时，溶解在流体中的气体会释放出来，同时流体汽化而产生大量空化泡， 空泡在随流体进一步流动的过程中，遇到周围的压力增大时，体积将急剧缩小直至溃灭。 1 4 2 气核、进出口压力 关于空化产生机理，由于液体结构还不十分清楚，目前尚无明显的理论说明。有些 学者提出过某些假设，比较能为人们接受的是哈维的稳定空泡核子机理假说。 1 4 2 1 气核悖论 对于不存在任何空泡的“纯 水而言，它的抗拉强度相当大，可以用图1 - 1 所示的 球形微团模式求其极限抗拉强度。 t 2 r 土 o o 图i - 1 球形微团模式 f i g 1 - 1s p h e r i c a l - m i s s i o nm o d e 设p 为使“纯水”破坏的最大拉应力；o 为“纯水”的表面张力系数，对于和空气 一6 一 东北大学硕士论文 第一章绪论 接触的水面，在2 0 c 时，o = 0 0 7 2 8n m ：r 为表面张力作用的有效距离。则平衡方程 为： 2 j r r o ；：r r 2 p ( 1 - 1 ) 或p 。翌 ( 1 2 ) k 水的r = 1 0 0 m ；可算出“纯水 被拉断时所需的拉应力约为1 4 5 6 0 0 0k n m 2 ( 超过1 0 0 0 0 个标准大气压力) 。然而，不少学者曾用各种办法对“纯水”的极限抗拉强度进行实测 所得结果差别较大，见表1 - 1 。 表卜1 水的极限抗拉强度( k n d ) t a b l e1 - 1u l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ho fw a t e r ( k n m 2 ) 实验还表明，水的抗拉强度与水温有密切关系，在1 0 c 时水的抗拉强度最大。由表 卜1 可以看出，要使“纯水 破坏需要很大的拉应力。实际上，只有特殊处理的“纯水 才可以承受拉力，自然界中的水却只能承受很大的压力。因为一般情况下实际水体中经 常存在很多含有气体或蒸汽的小泡( 称为“气核”或“空化核，简称“核子”) 以及固 体微粒等异相介质，因而大大地降低了水的抗拉强度，水体很容易被“拉断 而发生空 化现象。 空化是由于液流系统中的局部低压使液体蒸发而引起的气核爆发性生长的现象，因 此低压和气核的存在是产生空化现象的两个必要条件。可是，液体中存在气核是与通常 的物理概念相矛盾的。假如一个球状泡悬浮于液体中，则泡内外压强的平衡关系为： p 一只一百2 0 ( 1 3 ) 式中：昂、p 泡内外压强 尺泡半径 盯表面张力系数 一7 一 东北大学硕士论文第一章绪论 由于空泡中的气体是由没有溶解的可溶解气体或水蒸气组成，显然大的气核受浮力 的作用将逐渐上升到水面而溃灭，若气核的内部含有不可溶解的气体，那么当气核半径 小到一定程度时，靠液体分子的布朗运动可以维持稳定悬浮，由于泡内的气体溶解需要 较长时间，因此对于短暂的历时，可以认为气核内的气体是不可溶解的，当气核半径 很小时，由液体表面张力引起的附加压力2 6 r 较大，于是核内气体压强将高于泡壁处 的流体压强，核内的气体慢慢通过泡壁扩散而逐渐溶解，最后气核消失，从以上分析可 以得到如下结论：大气核因浮力作用上升至水面而逸出，小气核则由于气体的不断溶解 而溃灭，称为气核悖论，但实际上，却观察到液体中气核的持久悬浮。 。 1 4 2 2 进出口压力与空化初生 根据空化产生的条件可知，影响水中空化发生和发展的因素主要是绝对压强及与压 强相关的流速，此外，液体粘性、表面张力、汽化特性、气核、边壁表面条件和所受的 压力梯度等也有一定影响，其中最基本的量为压强与流速，一般均以这两个量为基础来 建立标志空化特性的参数。流体与物体间相对运动，物体上各处的压强会有所不同，为 了标志物体上的压强分布特性，通常用下式来表示压强系数： c p 一币e - e o ( 1 4 ) 式中： c ，压强系数； p 物体上讨论点的压强； 昂未受流体搅动的参考压强； p 流体的密度； k 未受流体搅动的参考流速。 物体上压强最小处( p 咒。，。= 帮) 的压强系数称为最小压强系数， 即。 c p m i n = 箫。一般来讲，无空化发生并忽略雷诺数的影响时，该值取决于物体的形 状。可以使昂不变，加大；或使不变，降低昂的办法使己；。减少。这样当民。减至 某一临界值时，在该压强最小处将会出现空化现象，产生空穴。 如设此时空穴内的压强为弓，则可定义进出口压力为： 一8 一 东北大学硕士论文第一章绪论 g 。丽p o - p 口 ( 1 5 ) 通常认为空化所产生的空泡内部充满水蒸汽，泡内压强应为饱和蒸汽压强昂，而物 体上如果发生空化，应首先发生在压强最低点，且其值己抽应等于昂。此时， c 1 = ( p o p e ) ( pv 0 2 2 ) 故。一- g l n i 。，进出口压力。是无量纲数，可以认为是抑制空化 产生的力与促使空化出现的力之间的比值，它表征了流场中是否出现空化和空化的程 度，是描述空化初生和空化状态的一个重要参数。固体与水作相对运动时，水的内部或 水固交界面上的空化状态，一般可分为亚空化状态( 即没有空化的状态) 、临界空化状 态( 即开始出现空化的状态) 、局部空化状态( 即水固交角面上或邻近水体内部出现空 化的状态) 和超空化状态( 即固体整个边界面上和靠近固体的尾端都出现空化的状态) 。不同空化状态的g 值不一样，( 昂一昂) 值越大时，o 越大，水越不易空化；越 大，g 越小，水流越容易空化。在亚空化流场中，如果流速不变而压强降低( 或压强 不变流速增加) ，流场内极小区域内偶然初次出现微小空穴的临界状态称为“空化初生。 这个状态在研究空化现象时是很重要的。空化初生时的水流的进出口压力称为“初生进 出口压力 ，常用c 表示。当g e 时，水流中无空化产生；当g = e 时，处于空化的 临界状态；当o c 时，则水流中发生空化，并随着g 的减小而扩大其空化区域。 判断空化初生的方法主要有眦1 ：( 1 ) 目测法：用肉眼观察流场内部是否有空穴发生； ( 2 ) 噪声法：探测流场内空泡初生时发出的超声波来判断空化初生；( 3 ) 光学法：根据光 电池接收到的通过流场的光量的减弱来判断空化初生；( 4 ) y 射线法：利用水与空泡对 y 射线的吸收能力来测量空化初生；( 5 ) 全息摄影法：利用激光对水中空泡形象进行摄 影来分析空化初生；( 6 ) 纹影法：利用水加温后，水与空泡在光源照射下不同的纹影来 判断空化初生。目前国内外应用最多的是目测法和噪音法。 由于实际工程应用中，初生进出口压力的离散度较大，重复性差，通常采用“消失 进出口压力”来描述空化的产生。消失进出口压力，常用e 来表示，是流场中出现空 化以后，进一步降低压强或提高流速使流场中出现比较严重的空化状态，然后逐步提高 压强或降低速度，在空化区的范围逐渐缩小至压力最低点附近，间歇性空泡趋于消失时 的进出口压力。消失进出口压力的重复性较好。c 与c 一般是不相等的，一般c 要大 于e ，这种现象称为空化残迹。 考虑到水中含有的杂质和气核使水的抗挣强度大大降低，k e l l e t 口3 1 、杨志明b 钔、夏 维洪啪3 等用临界压强来代替饱和蒸汽压定义了进出口压力： 一9 一 东北大学硕士论文第一章绪论 。= 锵p v o - z ( 1 - 6 ) 式中：p 液体抗拉强度；其他符号同前。 进出口压力有以下几个方面的意义汹1 ：( 1 ) 判断空化初生和衡量空化强度。当流场 内的最低压力达到空泡不稳定的临界压力时，空化现象就会首先在该处发生，这里的进 出1 ：3 压力称为i 晦界进出1 ：3 压力或初生进出1 3 压力c ；( 2 ) 可以描述设备对空化破坏的抵 抗能力。各种水利机构都有相应的c 值，g 值越低，说明空化所需的压力将越大，该 设备抵抗空化破坏的能力越强；( 3 ) 衡量不同流场空化现象的相似性。在r e 数、f r 数、 w e 数等相似准数相等的情况下，当两种流动状态的进出口压力相等时，可以认为其空化 现象也相似。 1 4 3 空泡的溃灭 如果气泡外部流场压力增大，当大于泡内压强时，空化气泡将被压缩，其体积缩小， 导致空化气泡不再稳定，这时气泡内的压强己不能支撑其自身的大小，开始溃陷，产生 空化效应。当水流产生空化后，由于液体流速很快，微气泡的生成、增大、收缩、崩溃 的时间很短，从而导致气泡附近的液体产生强烈的激波，形成局部点的极端高温高压。 可见空泡的溃灭是造成空化效应的重要因素。空泡溃灭是一个极其复杂的物理过程，迄 今为止，单靠纯解析的理论方法还无法分析气泡溃灭的全过程。利用高速摄影技术 ( 1 ，0 0 0 ，0 0 0 帧s 以上) ，实验已能描述气泡溃灭时的形状和射流顶端的速度大小，但由 于气泡尺寸较小，而气泡产生射流后的溃灭速度极快，要详细测量目前还有困难。 图1 2 单气泡的溃灭 一1 0 一 东北大学硕士论文第一章绪论 么 嚣望齄着的空泡 f i g 1 - 2s i n g l e - b u b b l ec o l l a p s e 二1 上逝 空抱顶部邀射 j j c 对 的抚动。壁面的撞击 ( 1 ) 附着壁面的半球形空泡 流体流动方向 oog 初始球形 空泡 受压面的 连续溃灭 ( 2 ) 空泡移入压力梯度区 。口出 初始球形空泡离表面远一侧 受到的扰动 嘞f 。 部速馇穿过射流的形成 空泡平扁一面 一 ( 3 ) 空泡近边壁溃灭 图卜3 射流一溃灭模式 f i g 1 - 3j e t - c o l l a p s em o d e 图卜2 所示的是一个近壁处气泡溃灭的图片口7 1 。图中每张图片的时间间隔是2 i ls ， 图片宽度为1 4m i l l 。由图片可以看出，气泡溃面时间短暂，几乎在瞬间完成，溃灭时产 生了指向壁面的微射流。图1 - 3 为不同位置处空泡的射流一溃灭模式引。从图中可以看 到，气泡所处位置不同，溃灭模式也不一样，射流的形成方向不同。附着在壁面或者临 近壁面的气泡，溃灭时都会形成指向壁面的微射流，因此会造成壁面的空蚀。远离壁面 的气泡，溃灭时射流在流体内部产生，形成一系列的空化效应。目前，对于空泡溃灭产 生巨大能量的现象可以用空泡群理论解释，目前关于空泡群溃灭过程有如下几个模型 啪1 ：( 1 ) 单个空泡溃灭时，形成的冲击波叠加成一个单个的高强度的破坏性冲击波；( 2 ) 多个空泡同时发牛溃灭时，构成一个巨大的冲击波；( 3 ) 基于能量传递的观点，溃灭的 一 11 一 坌旦| | 东北大学硕士论文第一章绪论 空泡将能量传递给未破裂的。外部空泡的破裂导致其周围局部压力增加，这个压力使其 内部空泡破裂，因此，单个空泡的潜在破坏性或溃灭压力沿空化群中心逐渐增加。目前 的研究中，更倾向于采用第三种模型来解释现有的空泡溃灭时的情形。由于空化过程蕴 含着十分复杂的湍流现象，而湍流问题的研究一直是流体力学上的难点，所以，直接模 拟空化流场来计算空化能量是十分网难的。现在所取得的计算结果也是将空化流场进行 相当大程度的简化，所得结果均误差较大，且计算量也相当大。表1 - 2 是早期的对溃灭 压力的一些计算结果m 3 。 表1 - 2