船舶压载水处理技术主要有物理法、化学法等，具体而言，电解技术、超声波技术、臭氧技术、紫外线法等可用于微生物灭活[1-3]．近年来，空化过程引起了人们对压载水中微生物结构破裂或死亡的关注，空化气泡通过其形成从周围流体收集能量，并在气泡破裂时释放．在气泡破裂期间，会出现几千开尔文(K)的高温，但持续时间很短[4]．同时，高速射流冲击的流体环绕着气泡，压力可达几千万帕．这些极端条件有利于压载水处理、食品加工、生物处理、纸浆处理等，具有高效和节能的特点[5-6]．有研究者设计了旋转空化装置，用于大肠杆菌处理、污泥处理、木质纤维素处理、双酚A处理等的灭活[7-9]．Sun等[10]研究了转子中带有锥形凹坑的旋转空化，对热性能和处理结果做了大量研究；旋转空化装置的热性能可以反映用于解释空化现象的空化函数的热效应[11]；流量、转速和泵压力的增加将导致产生更高的热量[12]，而热量对空化有影响，研究装置的热性能有助于证明装置的空化现象．因此，本研究重点分析对旋水力空化的热性能．本研究用实验系统分析了对转水力空化装置(CRHCD)的性能．该装置的转子上分布了许多齿，分为斜齿转子和平齿转子．为了避免转子和蜗壳之间的热传递，转子由非金属材料制成，蜗壳由丙烯酸制成，便于高速摄像机观察．首先，基于对转水力空化装置的空化发展图像，分析了空化气泡在装置中的运动特性；随后，在两个转子的不同转速下，评估了对转水力空化装置的产热量(H)和热效率；最后，评估了流量和入口压力对热性能的独立影响．通过对空化机理和热性能的探讨，为对转水力空化装置在压载水处理中的推广应用提供了依据．1 试验方法1.1　对转水力空化装置设计对转水力空化装置包括两个转子和一个蜗壳，其中一个转子的平面上分布斜齿(称为斜齿转子)，如图1(a)所示，斜齿角度为8°，共分布12个齿形结构，每个齿间的槽深度为3 mm，凹槽宽度为4 mm．另一个转子表面分布若干个平齿(称为平齿转子)，平齿个数为11个，每个齿形的深度为3 mm．转子齿形具体结构尺寸如图1(b)所示．两个转子同轴布置在一个蜗壳内，蜗壳与转子之间的距离也为1 mm．为了便于观察，蜗壳采用亚克力材质．两个转子直径均为8 cm．10.13245/j.hust.241207.F001图1齿形结构及位置关系两个转子在旋转过程中，转子间隙会周期性渐缩，产生高速低压区从而导致空化，产生较大的热量，本研究采用开式试验系统，如图2所示．对转水力空化装置由两个电机分别驱动斜齿转子和平齿转子转动，电机均为直流电机(型号为ZYC-110/11，深圳市光万电子有限公司)，调速器采用电容式调速器(型号为ZYC-130/20，深圳市光万电子有限公司)．转速采用接触式转速计测量，测量精度为0.05%；轴功率采用功率计测量，测量精度为1%．系统中水循环采用不锈钢离心泵(型号为CHL2-10，南方泵业股份有限公司)，其流量为额定流量Q=2 m3/h，扬程为10 m，功率为0.25 kW，可调频．流量计采用电磁流量计(型号为MFE600E，测量精度为0.2%，西安麦克传感器有限公司)，压力变送器精度为满量程的0.5%(型号为MPM489，西安麦克传感器有限公司)，温度传感器精度为0.5%(-50～200 ℃，型号为MTM，西安麦克传感器有限公司)．10.13245/j.hust.241207.F0021－储液罐；2，14－温度计；3－流量计；4，10－压力传感器；5，9－电容式调速器；6－对转水力空化装置；7，8－电机；11－高速相机；12－温度变送器；13，15，17－截止阀；14－离心泵；16－泄放水箱；18－热水加热器．图2　试验系统图所有的传感器数据通过RS-485接口收集保存到计算机中．为防止锈蚀对试验结果造成影响，整个管路系统采用DN10不锈钢管路．对转水力空化装置中空化过程由高速相机拍摄，由白色的发光二极管(LED)灯照亮拍摄区域．为了捕捉对转水力空化装置的空化图像，使用高速相机拍摄照片(1 696×1 710像素，像素大小为8 μm×8 μm，全分辨率高达523帧/s，最低分辨率高达1.8×104帧/s)．本研究中高速摄像机分辨率设置为1.0×104帧/s．1.2　试验条件对转水力空化装置内部两个转子相向旋转，由于不同的齿形结构高速运动，在斜齿结构表面形成空化云；同时考虑齿形结构交错运动，在内部周期性地形成低压区，因此在齿间位置也会产生交替齿形空化云．空化过程中随着高温高压射流的作用，会导致周围流体产生温升，温度可以用来量化空化效应．对转水力空化装置的工作条件包括流量、转速和入口压力等，转子的结构参数(斜齿倾斜角度、转子间距等)也会影响对转水力空化装置的性能，特别是热性能．在本试验研究中，通过改变两个转子的转速进行了9次试验，如表1所示(n1为斜齿转子转速；n2为平齿转子转速)．两个转子的转速分别为2 000，2 500，3 000 r/min．10.13245/j.hust.241207.T001表1不同转子转速下HCR热性能试验实例算例n1/(r∙min-1)n2/(r∙min-1)12 0002 00022 0002 50032 0003 00042 5002 00052 5002 50062 5003 00073 0002 00083 0002 50093 0003 000为了探究斜齿转子斜齿角度对对转水力空化装置的水力空化强度的影响机制，设置了多个倾斜角度(2°，5°，8°，11°)的斜齿转子，通过替换斜齿转子，获得不同情况下的热参数，并开展性能分析．本研究试验系统采用开环，以避免水循环产生热量，从而影响试验结果．通过对转水力空化装置的水被释放到排水箱．当试验系统稳定运行时，记录了所有情况下的数据．最后一个值在大约300 s的时间内进行平均，每秒进行一次数据采集．1.3　试验过程为了探究不同工况条件下对转水力空化性能的参数变化，建立正交试验，以流量Q、斜齿转子转速n1、平齿转子转速n2为控制变量进行测试．为了避免系统循环造成热效应参数测量的不准确性，采用开放式系统进行试验，将处理的水直接排入废水池．数据测量以每秒的数据采集频率记录150 s，记录完成后取平均值．空化现象的可视化是在斜齿转子3 000 r/min，平齿转子3 000 r/min，流量为6 L/min下获得的．对转水力空化装置产生空化的过程中，有三个效应表现形式，即机械效应、热效应和化学效应．热效应作为直接表征水力空化装置效率的重要参数，成为研究的重点．而常规的空化数不能表征其热效应，因此本研究采用文献[12]的热效应表征方式(产热量H和热效率η)．对转水力空化装置的热效应计算公式如下，H˙=ρQ˙cp(T2-T1)，(1)式中：H˙和Q˙为试验系统中测量参数的平均值；ρ为液体的密度；cp为液体的比热容(cp=4.186 8 kJ/(kg·K))；T2为出口温度；T1为进口温度．液体的密度伴随温度会发生变化，具体公式[11]为ρ=1 000-0.017 8(T1-4)1.7．(2)则热效率η=(H/Em)×100%，其中Em为电机的消耗功率．2 试验结果分析2.1　空化过程分析利用高速相机捕捉空化过程，高速相机的帧速率为1×104帧/s，对转水力空化装置的进口流量Q=6 L/min，斜齿转子和平齿转子的速度均为3 000 r/min，在此条件下进行空化流动观测，获得空化过程图像．对获得图像的像素进行无量纲灰度处理[13]，获得如图3所示的图像．10.13245/j.hust.241207.F003图3可视化空化图像的灰度处理从图3中一个齿形结构运动周期t0内的灰度处理看出，灰度值0.5左右的图案范围为空化区域范围，Δt为拍摄间隙．当两个转子的空腔位置正对时，空腔产生少量空化云，主要集中在斜齿转子的端部(如图3(a)所示)；当斜齿继续运动时，斜齿产生的附着空化进入到平齿转子的空腔结构(如图3(b)所示)，斜齿尖的空化与齿间凹槽内空气的空化融合，形成复杂的空化；随着斜齿的继续运动，斜齿转子端部的附着空化继续运动掠过平齿凹槽(如图3(c)所示），并且平齿凹槽间的空化仍存在大量空化；当斜齿转子将要到达平齿的另一侧时(如图3(d)所示)，空化主要集中在斜齿转子的端部，即将进入下一个循环．因此，对转水力空化装置运行过程中，其内部空化主要集中在斜齿转子的端部，在齿间空腔中也会有少量的空化，整体过程以斜齿转子的运动影响内部空化过程．2.2　不同转速下的产热量分析空化过程是由于低压产生气泡并发生破碎过程中，释放高温高压射流，伴随着机械效应、热效应和化学效应．机械效应和化学效应须要针对特定的试剂产生效果，而热效应可对系统进行直接测量而获得；因此，本研究分别调整两个转子的转速，采用温度变送器获取不同转速下进出口的温度情况．对测量数据进行处理，获得热产生率见表2．由于齿形结构的不同，因此不同转子转速下，其水力空化热效应也是不一致的．10.13245/j.hust.241207.T002表2不同转速下的产热量n1/(r∙min-1)n2/(r∙min-1)H/(MJ∙h-1)2 0002 0001.8002 0002 5001.9402 0003 0002.0492 5002 0002.1202 5002 5002.2402 5003 0002.3063 0002 0002.8033 0002 5002.9503 0003 0003.040保证对转水力空化装置的进口压力、进口流速、液体温度不变，探究对转水力空化装置运转过程中的产热量(见表2)．从表2可以看出：在保证斜齿转子的转速不变，平齿转子转速增加，系统的产热量增加较少；在斜齿转子转速为2 000 r/min情况下，产热量增加了0.165 MJ/h，增长了36.60%；当斜齿转子的转速增加至3 000 r/min，整个系统内的空化强度增加，平齿转子转速从2 000 r/min增加至3 000 r/min时，产热量增加了0.679 MJ/h，增长了28.40%．由此可以看出平齿转子转速增加有利于提高对转水力空化装置的热效应．同时也分析了斜齿转子转速对产热量的影响，平齿轮转子转速设定为2 000 r/min，斜齿转子转速从2 000 r/min提高到3 000 r/min，产热量从1.8 MJ/h提高到2.75 MJ/h，增长率为52.7%；当平齿转子转速为3 000 r/min时，斜齿转子的转速由2 000 r/min增加到3 000 r/min，对转水力空化装置的产热量增加了1.06 MJ/h．发现无论是产热量还是增长率，斜齿转子转速的增加均有利于提高对转水力空化装置的产热量，且促进作用大于平齿转子．在空化流动可视化中，空化气泡主要集中在斜齿中和斜齿附近，因此斜齿转子的转速对空化热效应有很大影响．表3为进口条件不变、不同转速下的热效率，可见对转水力空化装置的热效率受到转速的显著影响，可以看出：对转水力空化装置的热效率随着转速增加而增加；将平齿转子转速保持在2 000 r/min不变，然后将斜齿转子转速从2 000 r/min调整到10.13245/j.hust.241207.T003表3不同转速下的热效率n1/(r∙min-1)n2/(r∙min-1)η/%2 0002 00063.592 0002 50063.542 0003 00065.442 5002 00068.642 5002 50069.312 5003 00071.173 0002 00081.973 0002 50083.743 0003 00084.573 000 r/min，对转水力空化装置的热效率提高28.80%；在保持斜齿转子2 000 r/min转速不变的情况下，平齿转子转速从2 000 r/min提高至3 000 r/min，对转水力空化装置的热效率提高了3.20%．当两个转子的转速设置为3 000 r/min时，对转水力空化装置的热效率达到84.57%．2.3　不同斜齿结构对热效应的影响规律分析在上述实验中，可以看出对转水力空化装置中斜齿附近出现的空化是文丘里管空化，斜齿的倾斜角度对文丘里管的空化有显著影响．因此，设置斜齿的倾斜角度θ=2°，5°，8°，11°，加工多个斜齿转子匹配平齿转子，分析不同结构的对转水力空化装置的热性能，即入口压力设置为60 kPa，不同倾斜角的热性能如图4和图5所示．从图4可见：对转水力空化装置的产热量随着流量的增加而增加，大倾角斜齿转子的产热量高于小倾角斜齿转子；当斜齿角度增加到8°时，产热量增加了13.80%，当倾斜角度继续增加时，产热量增加有限．热效率与产热量具有相同的趋势，因此，当对转水力空化装置用于压载水处理时，应选择合适的斜齿角度．10.13245/j.hust.241207.F004图4不同倾斜角度下的产热量10.13245/j.hust.241207.F005图5不同倾斜角度下的热效率2.4　不同间距下的产热量分析对转水力空化装置产生空化现象的关键在于斜齿转子和平齿转子相向对转，特别是在斜齿转子的表面形成类文丘里管空化，成为装置内部空化演化的主要成分，齿间空腔内的空化云团也是围绕斜齿转子表面类文丘里管空化而运动．因此，转子之间的距离成为斜齿表面类文丘里管空化的关键因素．Matevž Dular针对对转水力空化装置，并没有给出转子间距对其性能的影响，一开始就给定了两个转子的间隙为1 mm，探究其水力空化效应；而Sun在实验中并没有给出准确的对应关系，在不同的电机带动下给出了两个不同间隙的水力空化性能，对比并不严谨．本研究在试验过程中，不改变其他参数，通过调节转子与轴系之间的间隙，进而调整转子间隙，分别调整为0.5，1.0，2.0 mm，分析对转水力空化装置的热性能．不同间隙的产热量对比见表4，可以发现：当转子间隙过大时，会降低产热量；当入口流量Q=4 L/min时，间隙增加1 mm，产热量降低了24.80%；当入口流量Q=8 L/min时，间隙增加1 mm，产热量降低17.70%．这说明当转子间隙过大时，产热量减小．随着入口流量的增加，系统产热量也增加．10.13245/j.hust.241207.T004表4不同间隙的产热量对比Q/(L∙min-1)h/mm0.51.01.542.822.622.1263.092.842.3583.353.232.59MJ/h不同间隙的热效率对比见表5，可以发现：当转子间隙过大时，热效率也会降低；随着入口流量的增加，整体的热效率增加．这说明入口流量的增加有利于空化的产生，进而使得整个装置内空化剧烈，从而带动热效率升高．10.13245/j.hust.241207.T005表5不同间隙的热效率对比Q/(L∙min-1)h/mm0.51.01.5472.8571.1769.22679.1375.7872.01885.1584.5778.71%2.5　热效应评估通过前面的分析，当进口压力为0.6 MPa时，两个转子的转速均为3 000 r/min，同时将进口流量Q调整为8 L/min，此时的对转水力空化装置具有较高的产热量(H=3.35 MJ/h)，热效率为85.15%．通过此效率对比以往研究中的热效率，在文献[10-11]中对比了水力空化和超声空化的热效率，发现超声空化的热效率普遍较低(分别为84.00%，85.95%，82.18%，90.25%，79.99%)．这是由于超声空化通过多重传感器提高交流电的热效率，从而提高热效率，尽管在三频流通池中能提高热效率，但是也使得整个系统较为复杂，因此本研究仅对比典型水力空化装置的热效率．3 结论a．利用高速摄像获取内部空化云分布情况，发现空化区域集中在齿间槽内和斜齿的壁面上，利用无量纲灰度处理，发现无量纲灰度值为0.5左右为空化云分布，该方法可为后续开展空化图像研究奠定基础．b．通过改变不同齿形转子的转速对比热效应及热效率，发现对应相同转速的情况下，斜齿转速增加1 000 r/min，产热量超过52.70%，热效率提高了28.80%；而保持斜齿转速不变，平齿转速增加1 000 r/min，产热量仅增加28.40%，热效率仅提高了3.20%，因此提高斜齿转速有利于提升该装置的热效应．c．斜齿转子的倾斜壁面是空化云的聚集区，倾斜角度会直接影响空化效应，相同工况条件下，当倾斜角度从2°增加至8°时，产热量增加可提升13.80%；随着倾角继续加大，空化效应产生的温升不明显；因此在后续对转水力空化装置设计中，不能盲目加大倾斜角度．d．齿间间隙也是影响空化过程热效应的重要因素，当入口流量为4 L/min时，间隙增加1 mm，产热量降低24.80%；当流量为8 L/min，间隙增加1 mm时，产热量降低17.70%．因此，可以看出：间隙增加必然降低产热量，但是流量增加也会相应增加产热量．e．对转水力空化装置的热效应影响因素有很多，增加对转水力空化装置的流量、压力和转子转速会产生更高的热产生率和热效率，这为后续该装置的工业应用奠定了良好的基础，但开展大规模产业化还须进一步细化研究．