空化水射流的研究进展

空化水射流的研究进展
王建杰;陈立宇;杨夏明;许桢英;王匀
【摘要】Cavitation is a physical and chemical phenomena that bears a large energy, which can affect every aspect of life, especially on water conservancy and irrigation machinery. With the development of science and technology, people are increasingly aware of the tremendous potential of cavitation, and then tend to utilize it, especially the cavitation wa-ter-jet. In the review, the research background of cavitation water-jet application was introduced firstly. Then progress of research in its application to oil production, environmental chemical engineering, cleaning and derusting as well as ma-terial surface modification and strengthening was described. Finally follow-up development direction of cavitation wa-ter-jet technology was proposed.%空化现象是一种蕴藏着巨大能量的物理与化学现象，它能够影响到生活的方方面面，尤其对水利机械和水利工程的影响最为显著。

随着科技的进步，人们越来越意识到空化现象所具有的巨大开发潜力，因而由原先的预防转而利用空化，尤以空化水射流的应用最为广泛。

从空化水射流的研究背景着手，阐述了空化水射流在油气开采、生化环保工程、清洗除锈和材料表面改性强化等方面的应用研究进展，也提出了后续的发展方向。

【期刊名称】《精密成形工程》
【年(卷),期】2016(008)005
【总页数】7页(P158-164)
【关键词】空化机理;空化水射流;应用;高温高压
【作者】王建杰;陈立宇;杨夏明;许桢英;王匀
【作者单位】江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013;江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013;江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013;江苏大学机械工
程学院，江苏镇江 212013;江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013
【正文语种】中文
【中图分类】TG17;TK72
在各种空化类型（光致空化、声致空化、射流空化）中，空化水射流的工程应用最为广泛，从20世纪80年代诞生起便受到学术界的关注，在短暂的20多年中发
展成为了广泛及多样化商业应用的有力工具［1］。

现在研究者认识到空化效应带来的不仅仅是空蚀破坏，它所蕴藏的巨大能量也带来了较为可观的应用前景。

目前大多应用于生化环保［2］、清洗除锈［3］、油气开采［4］和材料表面改性强化［5—6］等方面。

自然界的水体中存在着许多气泡核，遇到外界激励时将迅速膨胀为肉眼可见的气泡，当遭遇高压水体时，这些气泡又会以近乎绝热过程溃灭，流体质点向气泡中心高速冲击，结果产生瞬时热点［7］（约5000 K）和局部高压（约1.01×109Pa），
并伴随各种极端物理、化学现象，同时，空化水射流能够在极短时间内使靶体受到极高频（约1000次/（s·cm20）［8］的冲击波和微射流（约400 km/h）［9］作用，并伴有较大的噪声，这一现象被称作空化效应［10］
空化机理研究方面，Rayleigh作出了巨大的贡献，最先提出了空泡在无界静止液
体中的溃灭方程［11］。

然而，自然界中的液体都具有粘性和表面张力，因此Plesset对Rayleigh的空泡溃灭方程进行了优化改进，提出了著名的R-P方程
［12］。

此后，空化理论研究进入一个快速发展时期，但是目前关于空化的内在机理研究还不是十分成熟，尚无较为权威的理论说明。

其中的原因包括液体结构和空化效应的复杂性，以及相应实验观测设备的缺乏。

当前主要提出了一些较为合理的假说，主要包括微射流理论、冲击波理论、群泡溃灭理论等。

1.1 微射流理论
在液体环境中，流动参数的变动常常会造成空泡的失稳，引起空泡的非对称溃灭，其中较为代表性的研究是关于近固壁面的球形空泡的溃灭［13］。

Lauterborn和Bolle［14］等人利用红宝石激光器在固壁附近的蒸馏水中诱导球形空泡，利用高
速摄影机拍摄到了近固壁的空泡生成及其溃灭过程中微射流的形成过程，为Plesset和Chapman对该现象的理论预测提供了实验依据；Preece［15］等人
将高压水射流通入水体中产生空化现象，利用高速摄影技术成功捕捉到了近壁面空泡的不对称溃灭过程，由得到的照片推算，溃灭时产生的微射流时速超过500
m/s；赵瑞［16］等人通过自制的力学传感器和高速摄像机，展开了对激光诱导近固壁面的球形空泡的溃灭研究，结果表明，刚性壁面对空泡周围流场产生的扰动致使空泡形状发生畸变，溃灭发生后，距离壁面较远一侧的空泡壁面逐渐内凹，形成一股微射流冲击固壁表面，经压力检测和水锤压力换算得到，速度超过450 m/s。

目前的实验及理论研究均证明了空化现象中微射流的存在，但是所得出的射流速度值相差较大，因此，对于微射流速度的影响因素还有待于进一步深入研究。

微射流演化过程如图1所示。

1.2 冲击波理论
冲击波理论认为空泡溃灭会产生相当大的溃灭压力，强烈压缩周围介质而形成压力冲击波，并从溃灭中心作球状辐射波传播。

在蒸馏水中，Matsumoto［17］利用压电陶瓷探针式水听器PZT及高速摄影机对近壁面的空泡溃灭过程进行探测，经
过一段时间后，靶体表面出现了明显的材料剥蚀现象，分析结果表明，空泡在极短的时间内高速溃灭，它所形成的冲击波压强高达500～750 MPa，在1 cm2表面每秒将有超过3×107个空泡生成和溃灭，以极高频的冲击波重复作用于靶体对于空蚀的产生起到了重要作用；胡影影［18］等人通过数值模拟及实验验证了空泡
溃灭时产生的冲击波压力最大值的空间位置，结果表明，冲击波压力最大值发生在距离空泡泡壁68 µm处，在溃灭瞬间达到1 GPa以上；清华大学的贺照明、胡影影［19—20］等人的研究也认为空泡溃灭的瞬间所产生的冲击脉冲是空化效应一
系列作用的重要因素。

1.3 群泡溃灭理论
为了减小实验及模拟难度，大多采用单空泡来进行空化现象的研究，但是实际水体中，空泡总是成群出现。

丹麦学者Morch认为空泡群的外层空泡最先溃灭［21］，率先溃灭的空泡产生的压力脉冲会增大其他空泡的环境压力，后续空泡溃灭时将会爆发出更大的冲击压力；Shima［22］对群泡溃灭问题从理论层面进行了探讨，
他对水中2个相近空泡在溃灭过程中的相互影响进行了理论探索，导出了不可压
缩流体中双泡的控制方程，结果表明，当2个空泡距离足够近时，会产生相互扰动，溃灭时所辐射出的冲击压力更大；黄建波［23］等人基于能量传递理论，运
用分层溃灭模型对群泡的溃灭冲击波进行分析，证明了以冲击波传播方式表现出来空泡间的相互作用，使最后溃灭的空泡产生的辐射压力提高了几个量级。

水射流空化内在机理的理论研究主要集中在上述几个方面，通过理论推导、数值模拟、实验观测等方式，以空化数作为空化强度的主要衡量指标。

考虑到空化效应的复杂性，目前也有一些新的观点被提出，如电化学理论、边壁效应、化学腐蚀、液体粘度、喷嘴结构等等。

2.1 应用于生化环保工程
空化水射流被大量运用在污水净化及促化学反应中，空化产生的能量能够轻易打开
各种材料分子链，大大缩短处理时间，而且空化水射流在气泡溃灭过程中产生的冲击波和微射流对周围靶体具有巨大的冲蚀作用，使靶体粉碎［28］。

姚锐豪［29］等人利用不同尺寸的三角形多孔空化发生器以及不同的水体环境，对工业废水的净化效率进行研究，结果表明，在中性环境下，存在最优孔口尺寸，孔数越多，产生的空化效应越剧烈，废水中COD降解率越大。

许佳丽［30］等人围绕液体浓度、环境温度、环境压力和空化时间展开对空化水射流降解壳聚糖的研究，通过FT-IR 和XRD技术对降解效果进行监测，结果表明，在3 g/L质量浓度下，60 ℃和1.4 MPa的环境中，经过120 min的处理后，降解率达到51%，远高于普通降解方式。

左伟芹［31］等人在常用的空化水射流污水处理中引入双氧水协同降解酚类
污染物，并进行了动力学方面的探索，空化水射流与双氧水的协同作用将酚类污染物的降解速率提高了38.4倍。

管金发［32］等人进行了空化射流破乳实验，研究了喷嘴入口压力及靶距对破乳效率的影响规律，发现在最佳靶距280 mm时，破
乳速度随入口压力的增加而增加。

孙焕焕［33］等人基于文丘里管空化水射流对
亚硫酸法糖液脱色的强化效果，分别考察了作用时间、压力、溶液温度的影响，结果表明，文丘里管产生的空化水射流能够有效强化糖液脱色过程。

王金刚、王西奎［34］等人将空化射流应用到废水处理中，并对比了高压水射流空化、涡流和超
声空化在处理废水方面的效率比，研究表明空化效应导致的高温高压等极端条件不但可以降解有机物，即使对微生物也可以通过破坏细胞壁的方式对其氧化分解，证明了空化射流的处理效率明显高于其他处理方式。

陈卫［35］等人运用正交实验
法比较了空化水射流和机械搅拌对制备环氧大豆油的强化效果，研究表明在优化条件下，空化水射流对制备环氧大豆油氧化反应的强化效果优于机械搅拌，提高了制备效率，降低了能耗。

对空化水射流应用于生化环保工程方面的研究大多以实验为主，原理上是利用空化效应导致的高温高压以及微射流等极端条件打开分子链，解体微生物，从而达到净
化水体和促进反应的作用，但是其内在作用机理还不是十分透彻，应在有理论知识的基础上加强对实际条件下的探索研究，使之更具有普遍性和实用性。

2.2 应用于油气工程
在油气及煤炭开采破岩过程中，射流喷嘴是其核心部件。

马立军［36］等人在多
孔喷嘴的基础上设计引入脉冲空化多孔射流，并通过实验对2种喷嘴的破岩效果
进行参数化对比，结果表明脉冲空化多孔喷嘴所打出的孔眼深度是普通多孔喷嘴的1.0～2.2倍，破岩体积是其1.23～2.35倍，可大幅提高钻井速度。

陶满霞［37］等人结合川东北元坝A井的实际情况，进行了水力脉冲空化射流的试验研究，利
用水力脉冲空化发生器形成的水力脉冲、空化冲蚀和局部负压，有效解决了超深矿井钻速慢破岩难的难题，且加快了水力清岩的效能，相较于机械钻井的速度提高了22.96%。

史怀忠、李根生［38］等人在分析水力脉冲空化射流喷嘴结构的基础上，提出了多重组合水力脉冲空化射流钻井技术，结合常规钻具、螺杆钻具、旋转导向、PowerV和欠平衡钻井系统，将深达6162 m试验井台的钻速提高了11.7%～17.2%。

葛兆龙［39］等人发现空化水射流中气穴溃灭时产生的震动噪声频段主
要集中在5400～6800 Hz，遂通过调节空化数的方式将空化射流声震效应引入煤
层开采中，促进煤层瓦斯解吸，降低安全隐患，与未加空化效应的煤样解吸相比，时间缩短了19.6%，解吸量增加了36.9%。

卢义玉、丁红［40］等人对空化水射
流空泡溃灭的瞬时热效应进行分析，并开展了不同空化条件下热效应的煤体温度和瓦斯渗透试验研究，结果表明，空化水射流的热效应使煤体产生热膨胀裂隙，增加了游离瓦斯内能，使得渗透率随温度升高呈指数规律增大，有利于煤层瓦斯的解吸。

张东速［41］等人利用高压空化水射流具有除尘、冷切割等特点，将其应用于矿
井的安全生产中，解决了矿井生产中的降尘除尘以及在易燃易爆环境下切割金属的难题。

在油气工程方面，利用其除尘破岩特点，目前的研究大多集中在喷嘴结构方面，鲜
有其他方面的应用研究，可推广其应用范围，拓展材料类型范围，对空化水射流切割进行系统性研究。

2.3 应用于清洗除锈工程
空化水射流清洗以水为介质，在高压条件下对物件进行清洗，同时，利用空化效应产生的高温以及微射流冲击波等作用，具有环保、节能、高效、无腐蚀、装置简单和易操作等特性。

李赵杰［42］等人结合试验研究和数值模拟技术对空化水射流
清洗除锈效能进行分析，以生锈铁块作为试验靶体，通过分析经Matlab量化处理的试验数据得到：空化射流的清洗除锈效率明显高于普通高压射流方式，且角型喷嘴的空化效果更好。

张明松［43］等人运用有限元软件对普通喷嘴和空化喷嘴进
行差异化分析，并结合实验证明自激振空化喷嘴将清洗效率提高2.3倍。

康灿［44］等人将中心体嵌入喷嘴流道以诱发空化射流，借此来研究非淹没式空化射
流的清洗能力，研究发现喷嘴中心体相对直径对清洗效率的影响较大，相对直径越大，清洗效果越好，而靶距在有效范围内对清洗效率基本没有影响。

王萍辉［45］等人从提高喷嘴清洗效率角度出发，结合自激振空化喷嘴工作原理的理论分析，设计了不同尺寸组合的风琴管自激振空化喷嘴，研究自激振空化射流震动频率对清洗能力的作用特性，对震动和频率信号进行了分析，并结合试验数据分析表明，自激振空化喷嘴震动频率对提高清洗效能存在最佳值，即喷嘴振腔自激振动的谐振频率。

将空化效应引入高压水射流进行清洗除锈，目前大部分研究只是引述空化效应的高温高压以及微射流冲击波降低粘附物的粘附力，缺乏对空化射流对清洗除锈效率的量化分析以提高其过程的实际可控力。

2.4 应用于材料表面改性强化方面
在20世纪80年代末，Zafre［46］先提出了利用高压水射流进行金属表面喷丸强化的思想，从而开始了高压水射流喷丸强化技术的研究。

杨春敏［47］等人应用
空化水射流对45#钢表面进行强化冲击试验，在调整选取最佳压力值、靶距和冲
击时间后，在材料表面得到了350 µm的组织硬化层，且硬度最高处达到679 HV，表面粗糙度亦大大优于传统机械喷丸强化。

蔡世刚［48］等人利用空化射流对具
有密排六方结构的纯钛表面进行喷丸强化试验，以分析其表面硬度、表面形貌、显微组织和表面粗糙度等特征，分析结果表明，30 MPa压力下，持续喷丸80 min 后，试样硬度提高118 HV，表面粗糙度Ra值为2.1 µm，表层组织存在大量变形孪晶和次生孪晶，强化效果较好。

韩冰［49］等人提供了一种空化水射流喷丸强
化残余应力场的有限元分析方法，利用ANSYS/LS-DYNA软件建立金属薄板试样空化水射流喷丸强化的各向同性弹塑性三维有限元模型，对材料表面塑性变形强化理论进行了探索。

郝婷婷［50］等人应用动力显式算法为前混合空化水射流建立
有限元模型，将空化水射流喷丸强化过程简化为弹丸撞击靶体的过程，模拟得到靶体表面的残余应力分布、应力场深度以及最大残余应力位置，为实际强化的最佳参数调整提供理论依据。

康学勤［51］等人选用黄铜作为研究对象，以淹没式空化
射流喷丸进行黄铜表面改性研究，结果表明，水射流压力和射流时间对喷丸效果的影响最为显著，与传统机械喷丸强化相比，水空化射流喷丸在材料的硬度改进、硬化层深、表面光洁度和表层组织改善等方面均有较大幅度提高。

空化射流对材料表面的改性强化类似于传统喷丸强化，空化效应的冲击波和微射流水锤冲击使得材料表层发生改性，提高材料疲劳寿命，但是在压力加载机制、可控性方面并未形成系统理论，还可展开对空化水射流喷丸强化的精密可控性强化机制研究，以及建立一套数学模型来对相应实验进行一定的预测
空化水射流作为一种新兴的研究领域，国内外学者从动力学、运动学、数值模拟等角度出发，利用理论、模拟和实验方法探讨了空化水射流内在形成机理，揭示了空泡溃灭时的物理、化学现象。

然而，水射流空化作用过程十分复杂，其机理尚不十分清楚，国内外对空化水射流的研究侧重于实际工程应用，很大程度上依赖于经验，进一步研究的空间巨大。

此外，目前对空化水射流的研究还相对集中在利用其进行辅助加工的阶段，鲜有利用空化水射流的剥蚀进行主动减材制造的报道，非接触式加工可避免传统加工中刀具的磨损，“冷加工”方式可减小热影响造成的基体与增强项间的相互作用，基于这些优点，空化水射流作为一种新兴而先进的加工手段，定会在精密微细剥蚀制造方面吸引大量研究，成为一个新的研究热点。

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