在液流中当局部压力降低至饱和蒸汽压或以下时，液流中的微小气核将急剧生长，气核从初生、生长、收缩再到溃灭的一系列过程被称为空化[1]．空化会对工农业生产造成很多负面影响，尤其是在水力机械中，空化会导致系统产生振动和噪声、破坏过流部件、堵塞流道、使水力机械效率降低[2]．然而，空化的高湍流和高能量转换特性具有较高的利用价值，目前已经逐步应用在污泥处理[3]、废料分解[4]、污渍清洗[5]、富营养水体杀菌灭藻[6]、医疗前沿技术[7]、新能源开发[8]和造纸业[9]、水下高速航行器的降阻[10]等领域．超声空化技术经过近一个世纪的发展已经相对成熟，然而超声空化只在超声波发生的位置具有较高的空化强度，其能量传输低、衰减快，高昂的设备成本限制了大规模应用[11]．水力空化技术因其能耗低，影响范围广，无二次污染等优势，在规模化应用中展现出巨大的优势．在污水处理中，水力空化技术联合化学试剂或其他高级氧化技术可以进一步提高能效．金文瑢等[12]采用离心泵、多孔孔板联合H2O2对环丙沙星进行降解研究，结果表明水力空化联合强氧化剂能够促进对环丙沙星的降解．杨文婷等[13]利用孔板联合臭氧对树脂生产废水进行处理，结果表明单独使用水力空化去除废水效果最差，联合臭氧并调节适当pH值去除效果更好．传统的孔板和文丘里管压力损失大、能耗高且易堵塞，部分研究者对这类空化器进行了优化设计和改造，使其性能得到了一定提升．Langone等[14]基于涡流空化原理对文丘里管进行改造，将壁面螺旋化，使得流体可以在壁面附近螺旋运动，在应用于污泥降解过程中发现，与多孔板降解罗丹明-B[15]相比较，改造后的文丘里管降解率更高，能耗更低．Dutta等[16]采用数值模拟方法，研究了圆形文丘里管壁面粗糙度、扩散段形状、扩散段布置障碍等对文丘里管空化强度的影响，结果表明表面粗糙度对喇叭形扩散段的影响比其他设计更显著，具有表面粗糙度的喇叭形扩散段壁面最适合于实际应用．文丘里管和孔板等常用的水力空化发生装置虽然结构简单、制造成本低，但是其空化产生机理也限制了其可扩展性，应用场景受限，旋转类空化发生装置在剪切力作用下周期性产生空化[17]，能够获得稳定频率和高强度的空泡流，同时能量转化率高，还具有一定输送能力，是一种新兴的、有潜力的水力空化产生方式，国内外对旋转式水力空化发生器的设计和实际应用展开了相关研究．Badve等[18]提出一种凹坑转子空化发生器，该空化器由固定不动的壳体和带圆柱凹坑的转筒组成，当转筒高速旋转时，在圆柱表面和凹坑处形成低压区进而导致空化发生．Kwon等[17]设计出一种盘式空化产热器，该空化器由边缘开通孔的圆盘转子和转子前后对应位置上开设有凹槽的盖板组成，流经圆盘转子通孔的液体在高速旋转运动下使流通面积周期性变化，并当面积较小时产生空化，该空化器最大的特点是进口压力低于大气压力．王勇等[19]通过数值模拟和试验相结合的手段对一种转子-定子型水力空化发生器内非定常空化机制进行研究，指出在该空化器内存在三种空化机制，即钝头体绕流空化、尾涡空化和楔形槽空化．Gostiša等[20]在离心泵叶轮出口安装带圆柱销的转子和定子，通过中试实验比较了锯齿形转子定子和该转子定子对污水厂废水的处理效果，结果表明圆柱销转子定子结构更优．由于旋转式水力空化发生器的尺度不同，结构不同，运行参数也有较大差异，因此很难评价孰优孰劣，目前对旋转式水力空化发生器的实际应用仍然处于探索阶段．为了开发空化性能优良的新型空化发生器，本研究兼顾输送能力和空化性能，设计了一种新型的旋转式水力空化发生器，并通过试验研究了其输送性能、压力脉动、空泡分布及空化产热等特性，以亚甲基蓝溶液为研究对象进行降解试验验证．1 试验装置和试验方案1.1　试验装置旋转式水力空化发生器的设计工况为：进口压力pin=87.5 kPa，流量Q=60 m3/h，转速ω=2 300 r/min．转轮进口直径为90 mm，出口直径为170 mm，出口宽度为13 mm，挡板形状为三角形，转轮结构图和剖视图如图1所示，空化器实物如图2所示，其中挡板位置是指挡板所在位置最大外径与转轮出口直径的比值．10.13245/j.hust.238484.F001图1转轮结构和剖视图10.13245/j.hust.238484.F002图2旋转式水力空化发生器试验装置示意图如图3所示．旋转式水力空化发生器是该开式试验台的核心部件，由电机驱动，除此之外，还包括储水罐、进出水管阀门、电磁流量计、进出口温度变送器、进出口压力传感器、高速相机和压力脉动传感器．其中：储水罐容积为10.13245/j.hust.238484.F0031—储水罐；2，11—阀门；3—电磁流量计；4，10—压力传感器；5，8—温度传感器；6—旋转式水力空化发生器；7—高速相机；9—压力脉动传感器．图3　试验装置示意图1 500 L，用来蓄水；进水管阀门调节进口压力，并通过进口压力传感器测量，出水管阀门调节流量，并通过电磁流量计进行测量；温度变送器用来测量流体在系统运行前后的温度，量程为0～50 ℃，精度为0.5%FS(FS为满量程)；高速相机用来拍摄旋转式空化发生器内的空泡演变过程，采样最高频率为3.5×105 帧/s；出口压力脉动传感器安装在距离出口2倍管径处，用来采集出口压力脉动信号，测量精度为0.25%FS，压力脉动传感器采样频率设置为25.6 kHz，采样时间为1 s．1.2　试验方案在设计工况基础上，将流量从60 m3/h分别变化为55，50，45，40 m3/h；进口压力从87.5 kPa分别变化为82.5，77.5，72.5，67.5 kPa；转速从2 300 r/min分别变化为1 700，2 000，2 600，2 900 r/min，共13种测试方案．分别对各运行工况下的进出口压力值、压力脉动数据、空泡形态和空化温升值进行测试采集，具体操作步骤如下．a. 排气．首先将开式试验台进出口阀门打开，然后向储水罐中注满清水，并静置一段时间，排出其中不可溶解性气体．b. 校零．打开开式试验台的所有测量仪器并进行校零．c. 启动．启动电机并逐步调整运转速度观察测量仪器数值，调节至待测工况．d. 数据采集．通过调整进出口阀门进行进口压力、流量的控制，调整变频器对电机转速进行控制，记录每一组试验方案下的进出口压力、压力脉动数据、空泡形态照片和温度等数据．e. 整理仪器．试验结束，首先关闭所有测量仪器，然后将电机缓慢停机，整理试验仪器和数据．2 试验结果与分析2.1　扬程特性图4为各测试方案下旋转式水力空化发生器扬程的变化规律．旋转式水力空化发生器在设计工况下的扬程h=4.25 m．从图4中可以看出：在设计工况的基础上逐渐减小流量，扬程逐渐增加；在设计工况的基础上逐渐降低进口压力，扬程先减小后增大，当进口压力为72.5 kPa时扬程达到极小值，h=3.34 m，但扬程整体波动幅度比较小；在转速从10.13245/j.hust.238484.F004图4不同工况下扬程曲线1 700 r/min逐渐增加的过程中，扬程先快速增加后缓慢增加，然后迅速降低，最后缓慢降低，在设计转速下扬程达到最大值，在2 900 r/min时达到最低值h=2.62 m．这是因为当在设计转速以下运行时空化并不明显，随着转速增大，空化加剧，空泡向蜗壳扩散，影响出口压力恢复．2.2　压力脉动特性通过快速傅里叶变换(FFT)对不同工况下的压力脉动时域进行频域转换，得到图5所示频域图，图中：F为实际频率；F'为轴频；Ap为压力脉动幅值．10.13245/j.hust.238484.F005图5不同工况下低频压力脉动频域图2.2.1　变流量条件下的压力脉动特性从图5(a)可以看出：不同流量工况下压力脉动主频为轴频的倍频，其中5倍轴频对应每相邻两个直叶片之间的孔口频率，6倍轴频对应直叶片频率．各个试验工况下的压力脉动存在次主频，随着流量的增大，次主频逐渐向低频方向移动；当次主频与主频合并时，压力脉动幅值最大，即流量为50 m3/h时的主频脉动幅值；继续增大流量，次主频又与主频分离，主频幅值削弱．除此之外，当流量小于设计工况时，压力脉动主频为叶频；当流量处于设计工况时，压力脉动主频为孔频．这是因为当流量较小时，气核较少，空化较弱，蜗壳出口压力脉动主要受叶轮和蜗壳动、静干涉的影响，因此主频为叶频；随着流量增加，气核增多，空化加剧，动、静干涉的影响削弱，压力场主要受挡板间的孔口影响，主频向孔频移动，加之空泡存在吸收压力的特性，因此压力脉动幅值降低．2.2.2　变进口压力条件下的压力脉动特性图5(b)为压力脉动随进口压力的变化情况．随着进口压力的降低，叶频脉动幅值基本保持不变，主频由孔频向低倍轴频转移，而且压力脉动幅值在较宽的频率范围内波动．这是因为在设计工况下空化已经发生，空化发生器流道内已聚集了大量空泡，继续降低进口压力使得空化进一步加剧，空泡对压力的吸收作用增强，复杂的内部流动和空泡的持续吸收作用导致压力脉动特性减弱；结合图4(b)可以发现，随着进口压力的降低，空化发生器的扬程均小于设计工况下扬程，而在设计工况下压力脉动主频为孔频，因此孔口的主导地位被削弱，压力脉动特性受轴频影响逐渐增大．2.2.3　变转速条件下的压力脉动特性图5(c)为压力脉动随转速的变化情况．各个试验转速下的压力脉动在轴频至叶频之间均出现离散脉动，说明在这些转速下空化器流道内的空化程度已经比较严重．随着转速的增加，主频由孔口频率向低倍轴频移动，主频幅值先减小后增大，频率分布较宽的主频脉动幅值较小；当转速从2 300 r/min增大至2 900 r/min时，主频从3倍轴频移动至2.8倍轴频附近，同时在两种转速下的1倍和2倍轴频处都出现明显的脉动幅值；说明随着转速的增大，低倍轴频的影响越来越显著，从而在低倍轴频处的宽频脉动逐渐增强．这是因为转速越高，空泡在离心力的作用下越容易从转轮上大量脱落，蜗壳内空化区域增大，含气率变高，急剧扩张的空泡体积逐渐减弱直叶片和孔口的影响力，压力脉动特性逐渐由转速控制．2.3　空化可视化高速相机可以捕捉高速运动对象的细节特征，利用该装置可以清晰地捕捉到旋转式水力空化发生器蜗壳内的空泡形态．高速相机的拍摄频率为4 500 帧/s，选取进水段中心线所在水平面上蜗壳靠近出口段的水体域进行拍摄，选取样张中的稳定图像对不同试验方案下的空泡形态进行分析．2.3.1　变流量条件下的空泡形态图6(a)为空泡形态随流量的变化情况．为了更加准确地定性衡量空化区域大小，在选取的图片中从转轮出口至蜗壳外缘作15条等值线，并对其依次编号．从图6中可以看出：流量从40 m3/h逐渐增至50 m3/h过程中，0～3号等值线内的空泡逐渐产生，空泡颜色也随着流量的增大均匀加深，表明空泡含气率逐步增加；当流量增大到50 m3/h时，可以看到在0～1号等值线内部分区域中出现明显的白斑，其空泡含气率明显高于其他空化区域，空化强度也更高；继续增大流量至设计工况，在0～3号等值线内可以看到明显的白斑，高含气率空泡已经向蜗壳外缘移动，空化区域增至5号等值线附近，空化强度进一步提高．10.13245/j.hust.238484.F006图6不同工况下空泡形态2.3.2　变进口压力条件下的空泡形态图6(b)为空泡形态随着进口压力的变化情况．从设计工况逐步降低进口压力的过程中，流道内的白斑区域不断向蜗壳外缘扩张，但是空泡的颜色并没有发生明显的变化，说明空泡团的含气率并没有随着进口压力的降低而出现明显的增加．当进口压力降低至72.5 kPa时，空化区域最大，其边缘已经达到等值线5～6号之间；继续降低进口压力至67.5 kPa后，空化区域不但没有扩大反而有所减小，其边缘减少至4号等值线附近，说明在进口压力降低的过程中空化强度并不是一直增加的，而是存在一个低压极限，低于该极限压力继续降压，空化强度不会提高．2.3.3　变转速条件下的空泡形态图6(c)为空泡形态随着转速的变化情况．当转速为1 700 r/min时，在0～4号等值线内仅出现含气率极低的空泡；当转速为2 300 r/min时，0～4号等值线内已经出现高含气率的空泡；当转速达到试验最大值时，0～8号等值线内出现高含气率空泡且整个蜗壳流道内都发生了空化；随着转速的增加，白斑区域均匀向流道扩散，空泡团含气率逐渐增大，空化区域增大，这种变化与低流量工况下的含气率变化情况相同，而与降低进口压力不同的是增加转速可以使空化强度逐渐增强．增加转速，转轮对蜗壳内部流体的强制扰动逐渐增强，使得蜗壳内各个流体区域中空泡含气率变得更加均匀．2.3.4　蜗壳内空泡演变规律为了进一步研究空泡在蜗壳流道内的演变情况，在设计工况下对蜗壳内空泡演变规律进行了分析，取一个周期内的具有代表性的照片进行分析，如图7所示．从图7中可以看出：空泡在蜗壳内的演变主要经历了出现、生长、扩散、脱落、溃灭过程；在Δt时刻(t为时间)，转轮出口、叶片背面开始出现大空泡团，在Δt+0.44 ms至Δt+0.89 ms时间内，空泡团不断生长，含气率增加，待长大到一定的体积后开始扩散，并在Δt+2.22 ms时开始脱落，脱落的空泡团在下一个时间段内逐渐溃灭，颜色变淡；大空泡团脱落后，仍有小空泡聚集在转轮并不断生长，紧接着又进入下一个扩散阶段，最后在Δt+4.44 ms时脱落，同时下一个大空泡团出现，前后两个大空泡团之间的时间间隔为4.44 ms，与6片直转轮叶片频率相同．10.13245/j.hust.238484.F007图7蜗壳内部空泡瞬态照片2.4　空化热效应空泡溃灭在短时间内可以释放大量能量，加之空化流湍动剧烈，也会产生一定热量，因此可以利用产热来对空化强度进行衡量．进行空化热效应试验前，在空化器外壁、输水管道、水箱外壁等设备布置一定厚度的保温材料，减少试验系统热量散失．每个试验工况前，测量空化器进口附近水温θ1，运行10 min后测量蜗壳出口附近水温θ2，计算得到空化产热q，其计算公式为q=ρqvcp(θ2-θ1)，(1)式中：ρ为密度；qv为体积流量；cp为比热容．每次试验工况进行多次测试取平均值，以消除偶然误差．2.4.1　变流量条件下的空化产热图8(a)为空化产热随着流量变化的曲线．随着流量不断增大至设计流量，空化产热呈上升的趋势，其中当流量小于50 m3/h时产热增加得较快；当流量为55 m3/h时，空化产热略有减小，此后产热增加的速度减慢．当流量小于55 m3/h时，蜗壳流道内空泡含气率随流量的增加而均匀增加，因此空化产热也表现为不断增加；而流量55 m3/h工况下与50 m3/h工况下的空化区域无明显差别，但当流量从50 m3/h变化为55 m3/h时，蜗壳出口压力下降较多，空泡溃灭变慢，空化产热减少，因此温度相比于前者较低；而当流量增加至设计工况时，蜗壳内空化区域显著增大，并且空化区域内的含气率普遍较高，因此空化产热继续增加．10.13245/j.hust.238484.F008图8不同工况下空化产热2.4.2　变进口压力条件下的空化产热图8(b)为空化产热随着进口压力变化的曲线．当进口压力从设计工况逐渐降低时，空化产热先迅速增加，然后基本保持不变；当降低进口压力时，蜗壳内空化区域先扩张，到达一个极限值后开始略微减小，同时其含气率并无明显变化，只从空泡形态的角度可以认为旋转式水力空化发生器空化强度随着进口压力的降低而逐渐增强．降低旋转式水力空化发生器的进口压力，使得喉部上游压力与饱和蒸汽压力之间的差值逐渐减小，原来的低压液体通过挡板喉部后更容易降至饱和蒸汽压力以下而致使空化的产生．由这种方式产生的空泡其周围流场强度并无明显变化，然而空泡在生长的过程中从周围液体吸收的能量减小，因此空泡内所蕴含的能量较低；同时，降低进口压力导致旋转式水力空化发生器蜗壳内的压力难以恢复，导致空泡溃灭点附近压力较低，空泡变得分散，相应地空泡溃灭速度缓慢，从而影响空化产热．2.4.3　变转速条件下的空化产热图8(c)为空化产热随着转速变化的曲线，从图中可以看出：当转速小于2 000 r/min时，空化产热增加并不明显，这是因为两种转速下空化强度差别较小；当转速大于2 000 r/min时，空化产热快速增加，并且随着转速的增加越来越快．增加转速对空化发生器的产热会造成多方面影响：首先，转速增大导致液体流速增大，液体压力降低幅度增大、空化更容易发生；其次，转速增大会加剧转轮和蜗壳间的动、静干涉，离心力加剧也使得其内部空泡的脱落频率增加，并且转速增大使得内部流场扰动加剧，流体微团之间相互作用更加剧烈，因碰撞、摩擦的产热大幅增加；最后，增大转速可以显著增加转轮对液体做功，增加蜗壳流道压力，因此空泡溃灭点附近的压力更大，空泡溃灭速度增大，破灭后释放的能量也相应地增大．2.5　亚甲基蓝降解试验亚甲基蓝可以同水中的∙OH生成稳定的羟化亚甲基蓝(MB-OH)，从而导致亚甲基蓝溶液褪色．水力空化会使液流中产生大量的∙OH基团，因此本试验用亚甲基溶液来捕捉水力空化产生的∙OH，通过紫外分光光度计检测空化作用后亚甲基蓝溶液的吸光度，获得经空化反应前后亚甲基蓝的浓度变化，验证旋转式水力空化发生器的空化强度[21]．分别配置1 L质量浓度为0.2，0.5，1.0，1.5，2.0 mg/L的亚甲基蓝溶液，在室温25 ℃下用美国Thermo scientific公司生产的EVOLUTION 201紫外分光光度分析仪测出各质量浓度下的吸光度，进而绘制亚甲基蓝标准曲线如图9所示．10.13245/j.hust.238484.F009图9亚甲基蓝标准曲线线性回归后得MB标准曲线方程A=0.043 95{ρMB}mg/L-0.003 71，式中：A为亚甲基蓝吸光度；ρMB为亚甲基蓝质量浓度．图10为设计工况下不同质量浓度亚甲基蓝降解率ηMB随时间变化的曲线．亚甲基蓝的降解率随着时间的增加不断增大，说明该旋转式水力空化发生器具有一定的空化强度并且还能持续发生空化．当亚甲基蓝溶液质量浓度为0.47 mg/L和1.68 mg/L时，亚甲基蓝的降解率与时间基本成线性增加的关系，并且高质量浓度(1.68 mg/L)比低质量浓度(0.47 mg/L)的降解率高．这是因为当亚甲基蓝质量浓度较低时，其在水溶液中较分散，空化产生的∙OH不便于和亚甲基蓝充分接触，因此反应速率较低，降解率总体较低；当亚甲基蓝质量浓度较高时，∙OH和亚甲基蓝接触的概率更大，以至于反应初期速率较大，亚甲基蓝降解较快，但随着亚甲基蓝质量浓度继续增大，外围的亚甲基蓝难以与∙OH接触，因此影响了降解率．当质量浓度为0.97 mg/L时，初期反应速率较小，反应进行到一定时间后，亚甲基蓝降解率快速增大，其增加速度远远大于其他两个质量浓度条件；可能是由于在反应初始阶段，该质量浓度下其他不参与反应的基团表现得更为活跃，对∙OH和亚甲基蓝的有效接触产生了影响；随着反应的进行，∙OH和亚甲基蓝的反应成为主导，且该质量浓度下更有利于∙OH与亚甲基蓝的充分接触．在反应结束后亚甲基蓝的降解率达0.33，说明空化效应降解亚甲基蓝受溶液质量浓度的影响，存在一个最佳降解溶液质量浓度．10.13245/j.hust.238484.F010图10不同质量浓度下亚甲基蓝降解率随时间变化关系3 结论试验研究了新型旋转式水力空化发生器在不同工况下的输送性能、压力脉动、空泡分布及空化产热等特性，主要结论如下．a. 旋转式水力空化发生器在设计工况附近具有良好的输送性能，能够满足应用需求．b. 增加流量至设计工况，压力脉动主频由叶频向孔口频率移动；从设计工况逐步降低压力，空化呈现加剧的趋势，压力脉动主频向低频段发展，并且宽频区域逐渐增加；在设计工况下增加转速，空化加剧的效果更明显，叶频和孔口频率的影响减小，压力脉动特性逐渐由转速控制．c. 随着流量增大至设计工况，空泡含气率不断增加，在含气率增至一定程度后，以局部含气率陡增为信号，空化开始向蜗壳流道内扩张；从设计工况降低进口压力，空化强度存在一个低压极限，继续降低进口压力，空化强度不再增大；增大转速至设计工况，空化强度增大，空泡含气率增大；设计工况下，大空泡团在直叶片尾部产生，并伴随着两次较为显著的空泡脱落现象，期间小空泡团则发生连续性脱落．d. 在小于设计工况下增大流量或增大转速，空化产热都明显增加；当从设计工况降低进口压力时，空化产热先迅速增加，然后基本保持不变，因此可通过适当增大流量和转速来强化空化．e. 亚甲基蓝的降解程度和自身质量浓度有很大关系，通过降解亚甲基蓝证实该旋转式水力空化发生器具有良好的空化能力．