空化反应器：最新发展和应用

工程19（2022）180研究化学工程前沿流体动力空化反应器的最新发展：空化机理、反应器设计和应用郑宇，郑颖，朱洁化学与生物化学工程系，西安大略大学，伦敦，ON N6A 3K7，加拿大阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2021年2021年4月17日修订2021年4月29日接受2022年10月20日网上发售保留字：水力空化空化核羟基自由基定/转水力空化反应器反应增强空化应用A B S T R A C T水力空化技术具有能量效率高、运行成本低、诱导化学反应的能力和放大的可能性，被认为是一种很有前途的过程强化技术在过去的十年中，在水力空化及其主要变量的基本认识方面取得了进展，这为水力空化在自由基诱导化学反应过程中的应用提供了基础。在这里，我们提供了一个广泛的审查这些研究工作，包括水力空化的基本原理，空化反应器的设计，空化诱导的反应增强，以及相关的工业应用。比较了两种类型的水力空化反应器--固定式和旋转式本文讨论了水力空化反应器的设计参数本文首次评述了目前市场上的商用空化反应器。水力空化的独特特性已被广泛应用于各种化学反应，如氧化反应和废水处理，以及物理过程，如乳液生成和组分提取。自由基和气泡内爆的作用也进行了深入的讨论。©2022 The Bottoms.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍1885年，雷诺兹和帕森斯在一艘英国军舰的故障试验中首次观察到并研究了空化现象。他们认为螺旋桨叶片损坏是由于水蒸气气泡的内爆，并将这种现象命名为“空泡”。这种现象的特征是气泡的形成、增长和破裂。在军舰的情况下，空泡的崩溃伴随着大量的局部能量，这导致了损坏[1]。瑞利勋爵随后为空化研究奠定了理论基础。此后，研究人员进行了广泛的研究，从根本上了解空化的形成和空化气泡的流体动力学行为。由于空化效应的不利影响，这些研究大多集中在如何避免空化。然而，对空化的进一步了解鼓励研究人员探索可能的方法，*通讯作者。电子邮件地址：ying.zheng@ uwo.ca（Y。Zheng）。利用空化释放的能量。迄今为止，空化现象已经在许多工业过程中进行了研究，包括废水处理[2]、食品和饮料工业[3]以及生物医学应用[4]。用于产生空化的方法经常用于定义空化的类型。通常定义四种主要类型的空化后两种类型的空化是最近发现的。光学空化是由高能量的光，如激光产生的。当液体介质用光照射时，光能被吸收并加热局部液体。如果局部液体温度超过其沸腾温度，则蒸汽空腔/气泡形成、增长，然后崩溃，这被称为光学空化。质子、中微子和光子等基本粒子也可用于分解液体介质以产生空化，通常称为粒子空化[5]。光学和粒子空化都是局部能量沉积的结果[6]。它们经常在实验室环境中用于空化的基础研究，因为在这种环境中可以产生单个空腔或特殊需要的空腔https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.04.0272095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engH. Zheng，Y.郑氏，中国科学院植物研究所所长。Zheng和工程19（2022）1801812路[7]。另一方面，由于易于操作和产生空化条件所需的强度，声学和水力空化首先在学术界和工业界进行了研究并得到了广泛应用与液压系统中空化现象的发现一样，由于20世纪20年代发生的涉及水下声音发射器的事件，声空化现象引起了研究人员的频率范围为20kHz至1 MHz的超声波通过液体介质传播，产生机械振动和局部负压，从而导致声空化。声空化的化学效应很快就被化学家们所认识。这项研究已经变得如此普遍，以至于整个“声化学”领域在液体中形成声空化然而，短波-空化，本文回顾水力空化反应器（HCR，包括商业空化反应器），自由基诱导的化学过程，并放大过程的第一次。2. 水力空化空化气泡（即，空腔）通常在局部压力降低到低于液体蒸汽压力时出现伯努利流场中液体速度和压力分布的变化在方程中描述（一）.在流体的通道中经常使用收缩部以增加流体速度，这又引起收缩部处的压力降低。文丘里管和喷嘴是常见的例子。超声波的长度严重限制了其传输距离。这1p þqv¼p1qvð1Þ超声的固有方面导致了121222低可扩展性，这阻碍了声空化在大规模商业操作中的应用。流体动力学空化可以通过改变液体介质的流速引起的压力波动来产生它是通过液体通过系统中的收缩部（例如孔口或文丘里管）的通道或通过液体内的物体的旋转来实现的水力空化泡具有与声空化泡类似的特性[5]。基于数值模拟，Moholkar等人。[9]提出声空化情况下的声波强度和水力空化情况下的下游恢复压力彼此相似;超声频率和压力恢复率也彼此相似然而，声空化往往会产生高度强烈的空腔塌陷，而水力空化则会产生大量强度相对较低的空腔[10]。与声空化类似的空化结果，水力空化具有关键优势，包括易于放大，低资本成本和高效率。因此，水力空化是声空化的一种有前景的替代方案[5]，并已应用于各种商业环境中，用于过程强化[11]。自2000年以来，水力空化的研究工作呈指数级增长（图1）。在这些出版物中，可以观察到五个不同的类别：理论/实验研究、生物质的利用/生产、废水处理、过程强化/反应优化和医学/纳米技术。有许多优秀的评论文章，涵盖了水-空化气泡的动力学，以及空化在废水处理、生化工程、可再生能源、食品工业等方面的应用[3]。除了介绍流体动力学式中q是流体的密度，p1和p2分别表示流动系统中两点（通常是上游和下游）的压力，v1和v2是它们相应的流体速度，如图1所示。 二、管内液体速度增加以压力为代价。在系统的喉部，液体达到其最高速度（v2），压力（p2）下降到其最低值。假设当局部压力下降到低于给定温度下液体的蒸汽压时形成蒸汽泡[12]。如果P2变得低于液体的蒸气压，则可能出现蒸气泡。在收缩下游的一点处，突然的压力恢复与气泡的崩溃同时发生，其中释放了大量的能量[1]。喉道压力越低，空化越严重，能量释放越强烈.预测空化的发生不仅对空化物理的解释有重要作用，而且对研究水力空化过程中的流态和设计空化装置都有重要意义。2.1. 空化起始空化起始定义了空化现象的起始。无论是为了避免空化的形成，还是为了更好地利用空化，空化起始是预测液体流动的流体力学的关键这是一个复杂的问题，取决于广泛的因素，包括播种核，流体速度和物理性质，以及系统压力。尽管人们已经做了大量的研究工作，但目前对空化初生的认识还很不全面。Thoma[13]是第一个提出空化指数（r）来描述空化的人：Fig. 1. 1940年至2021年的水力空化出版物。2H. Zheng，Y.郑氏，中国科学院植物研究所所长。Zheng和工程19（2022）180182¼图二.水力空化的图解说明。ps-pvDpð2Þ空化初生是一种复杂的现象，具有多种特征，其中空化核是最重要的特征。空化核可以被认为是液体中的弱点，其可以包含蒸汽和不可冷凝气体的混合物。它们通过降低液体的最小所需拉伸强度来促进气穴的发展。 （详细讨论见下一节。）气泡的动力学是复杂的，并且与多种因素相关，包括表面张力、粘性效应和不可冷凝的含量。毫不奇怪，空化数不可能解释所有的复杂性;因此，它本身不足以确定空化开始的条件，因为它高度依赖于其他物理性质。Šarc等人[12个]其中ps是泵的吸入压力，pv是对应于其温度的液体的蒸汽压力，Dp是在泵的最佳效率点处从吸入到排出获得的压力升高。该参数最初被建议用于泵，但其缺点是泵与泵之间的参数会发生变化。在对流过浸没物体的开放液体的研究中，Plesset[14]提出了空化参数K，以定性地关联流型。当K较小时，可建立空化流型。观察到空化起始受几个因素的影响，如收缩部的几何形状、介质温度以及空化核的密度和尺寸。Yan和Thorpe[17]报道了类似的观察结果，即空化数与几何形状高度相关。他们进一步指出，对于0.4至0.8的管道直径比，空化起始数在1.7至2.4之间变化。琼科利尼等人[18]提出，微孔在开始时可以具有低得多的空化数。表1[17可以看出，标志着空化开始的空化数，Kpo-pv1qv2ð3Þ根据情况，可以从远低于1到大于3变化很大，操作条件、几何形状、原子核等等。迄今为止，准确预测空化初生仍然是一个困难。式中，p0是静压，v0是离物体一定距离处的均匀流速空化参数是表征空化流动的一个重要参数，目前文献中称之为“空化数”。在开放的水系统中，每个流都有一个空化数，并且增加流体速度会导致空化数减少。空泡起始的特征是空泡云。根据等式（3）对于特定的液体，静压和液体速度都是影响空化数的参数。该无量纲数也已应用于封闭系统，例如孔口和文丘里管，其中需要指定压力和液体速度（下文提供详细讨论）。空化数的值越低，空化发生的可能性越高，或者空化幅度越大[15]。Bagal和Gogate[16]声称，当空化数降至约1时发生空化，并且在空化数范围为0.1至1.0时获得邪教任务目前对空泡形成的理解仍然严重依赖于实验观察。当量（3）首先被开发用于基于在开放水域系统中进行的测试来确定空化数，其主要表征在开放系统（例如，水翼）中发生的空化流该无量纲参数也已广泛应用于封闭系统的孔口或文氏管，其中预期会发生流动的（部分）阻塞当Eq. （3）适用于封闭系统。一方面，空化数本身不足以说明液压系统内部的详细情况，因为它高度依赖于系统另一方面，在与孔口/文氏管系统中的收缩相关的各个位置处Šarc等人[12]进行了一项试验，并使用压力和速度的各种组合计算了空化数。对于相同的试验，通过应用在不同位置测量的压力和速度，表1空化开始时的空化数使用的参数空化装置设备细节空化数参考文献下游压力，多个孔孔口直径3 mm，管径3.78 cm当孔板与管道直径比为0.4 ~ 0.8时，[17个]口流速下游压力、孔口速度多个孔直径为0.15和0.30 mm，厚度为1.04、1.06和1.93毫米对于三个孔，空化起始数在0.3、0.7和1.1左右变化[18个国家]出口静压建模-空化起始数在0.36 ~ 1.00[19个]压力，进口流速出口静压、喉部速度文丘里管喉管直径10 mm，收敛角45°，发散角12°空泡的发展趋势出现在空泡数0.51附近，空泡起始数为0.99，空泡数与进口压力无关[20个]参考压 力 ， 参考速度具有粗糙表面的微流体水力直径为75.0、66.6和50.0lm，长度2 mm，粗糙度5lm不同的上游压力高达900 psi（6.2 MPa），空化数范围在2.025和0.720之间，空化起始范围在0.925和3.266[21日]r¼H. Zheng，Y.郑氏，中国科学院植物研究所所长。Zheng和工程19（2022）180183D- -p的测试系统，他们发现空化数的值大致在1.2和168.0之间变化。在文献中，也观察到了不一致。一些研究小组直接应用下游（即离空化点一定距离处）的压力和速度来估算空化数。其他研究小组采用收缩处的压力和速度代替下游的压力和速度，以便将流动的阻塞考虑在内。环境压力、上游压力和速度也被报道用于确定空化数。表2[22压力和速度的选择对空化数的数值估计有很大影响，进而影响空化初生的确定。因此，空化数的定义需要细化时，它被应用到一个封闭的系统。对封闭系统（包括反应器）中空化的理论理解和表征的进一步研究是非常必要的。2.2. 空化核液体蒸发往往发生在自由表面，如气泡和固体颗粒，这是已知的空化形成的来源，并被称为成核是气体分子聚集形成微米级气泡的过程。对于不含预先存在的核的纯液体，其成核只能通过液体分子的分离来实现，此时产生新的相这被称为均匀成核。以20°C的纯去离子水为例，直到局部抗拉强度低至-60MPa[31]时，才能引发空化。然而，在开放式系统中可以很好地观察到空化现象。水（海水）和自来水中，因为存在气泡。这种水的抗拉强度通常远低于1巴（0.1 MPa）[32]。这一发现表明，核在空化的形成中起着当液体中预先存在不均匀性作为晶核时，就会发生异相成核。在实践中，异质成核最有可能主导空化的形成。在文献中研究了两种不同类型的核：自由流核，其自由地漂浮在液体介质中;和表面核，其附着在表面或壁上（图1）。[33]。表面核也被称为哈维核，并且只有在满足两个标准时才能形成：①核所附着的表面应该是疏水的。亲水表面上的原子核是不稳定的，除非它们被有机表皮覆盖②应存在作为气体成核活性部位的锥形间隙[33]。哈维核经常存在于多孔颗粒中，当颗粒漂浮在液体中时，哈维核附着在锯齿状颗粒上。当压力低于阈值压力时，观察到表面核的快速生长据说空化的发生主要与自由流核有关，表面核只起次要作用[33]。自由流核是截留在液体中的不可冷凝的气泡由于液体介质中气体成分的浓度梯度，预期质量从气泡表面扩散气泡在液体中的平衡受到远场压力和拉普拉斯压力与气泡内气体和蒸汽-2vut.ffiffiffi4ffiSffiffiΣffiffi3ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffip1v4SD þ表2用不同压力和速度确定空化数。使用的参数空化装置设备细节结果参考文献下游多个孔孔的直径从2到22 mm不等，空化数范围为0.09 - 0.99，最佳[22日]孔口压力管径26.64 mm空化数为0.13速度下游压力，孔口文丘里管孔板直径2 mm，出口角度6.4°空化数在0.09 ~ 0.45之间，流速在46.62 ~ 20.78m·s-1之间[23日]速度下游文丘里管喉径1.2 mm，管径3.6 mm压力范围从0.1到0.6 MPa，具有峰值空化[24日]孔口压力mm数量0.4速度下游多孔和直径为2和3 mm的孔口，喉部空泡数随运行工况的变化范围[25日]孔口压力文丘里管直径为2mm压力从5到15 bar，最佳空化数速度范围为0.17下游压力、射流速度再入射流-空化数从0.7到1.2不等[26]环境压力，平均孔口速度锐边孔板孔板直径2 mm，压力在0. 021.50 MPa空化数从0.4到2.0[27]上游压力、流速圆形前缘二维50.0 mm宽、107.9 mm长、16.0 mm厚的对称水翼，具有圆形前缘和平行壁空化数范围从2.0到2.5[28]入口压力，叶轮速度叶轮-空化数范围从0.0138到0.2112[29]特征压力、特征速度NACA 16-020箔片-水质试验的空化数范围为0.69 - 2.02，流速标度试验的空化数范围为0.40[30个]NACA：国家航空咨询委员会。1巴= 105帕。pc - pv¼ 3p3ð4ÞH. Zheng，Y.郑氏，中国科学院植物研究所所长。Zheng和工程19（2022）180184图三.两种不同类型原子核的图解说明。(a)自由气泡;（b）哈维核;（c）经典成核;（d）扩散驱动成核。cN：表面核处的局部饱和浓度;c1：液体中气体的浓度;f：液体的过饱和度;m1：扩散到表面核中的气体的质量通量;U：典型速度。复制自Ref。[33]第33段。其中S是表面张力，d是气泡直径的函数;pc和p1分别是取决于尺寸的临界压力和环境压力[34]。该方程表明，当压力降至临界压力Pc以下时，气泡变得不稳定。尽管微泡由于气体扩散而可能是不稳定的，但事实上，在自然和实验室环境中经常观察到微泡核因此，原子核必须以这样或那样的方式稳定下来[35]。Khoo等人[34]声称，当微泡形成时，临界压力pc远低于蒸汽压。直径小于100μm。当气泡减少到几微米，Khoo等人。[34]发现，所需的PC下降到几个大气压的张力，他们证实微泡可以稳定地存在于水中。Hsiao和Chahine[36]应用雷诺平均气体扩散在微泡动力学中的重要作用当考虑气体扩散时，平均气泡尺寸几乎是s的两倍，从60到100l m。通过引入自由气泡，作为空化核，Tandiono等人[37]甚至在液体流下降到低于其蒸汽压之前就获得了强烈的空化事件。这些现象是用高速摄影机记录下来的。内爆空化气泡是由自由气泡向收缩部移动而被引入到液体中所触发的。观察到的微泡在数百微米的范围内。气泡核浓度和临界压力已被观察到与系统压力呈负相关，但随着溶解气体的饱和度的增加而增加。Russell等人[38]这表明，人口和规模核的分布与试验段的压力密切相关。增加压力导致气泡核的数量减少。Pascal等人[39]使用声学测量技术观察到了类似的结果。 当系统压力在负压范围内时，观察到压力的降低导致大核的数密度降低（核半径（R）>10lm）和小核的数密度增加（R<10lm）[40]。Shah等人报道了气体饱和度的影响[8]，他声称增加气体的溶解度降低了空化阈值。Hemmingsen[41]获得了类似的结果，他进一步指出，当气体溶解度非常高时，对空化效应的影响变得不那么重要。Venning等人[42]通过使用空化敏感度计（CSM）测量证实了上述声明。在实验室条件下，对空蚀洞内空气-水系统中的核尺寸分布进行了研究.研究人员注意到，当水过饱和时，气泡核的数量随着溶解气体的浓度显著增加。然而，当水没有被溶解的气体饱和时，影响被显著减弱。这一结果表明，气体扩散在微泡种群动力学中起着重要作用。与上面讨论的微泡相反，“纳米泡”是直径小于1 μ m的泡。如上一节所述在泡沫内外都有机会。Epstein-Plesset理论预测，在非常狭窄的情况下，饱和液体中的压力可以平衡，使得纳米气泡不太可能在不受控制的情况H. Zheng，Y.郑氏，中国科学院植物研究所所长。Zheng和工程19（2022）180185××情节如Epstein-Plesset理论所预测的，纳米气泡（半径1000 nm）的寿命小于0.02 s;因此，气泡应该迅速溶解和消失。Fox和Herzfeld[35]提出的表皮稳定理论为稳定的纳米气泡的开发提供了基础。该理论指出，覆盖气泡表面的有机表皮（由表面活性剂或其他有机化学品产生）终止或减缓气泡和液体介质之间的气体扩散，从而减缓气泡破裂。 早期直接观察大块纳米气泡（小于1lm）由Johnson和Cooke报道[43]。注意随着纳米技术的发展，纳米技术各种技术已被应用于产生稳定的纳米气泡，其物理性质和浓度已被仔细研究。通过将预空气饱和的去离子水减压，Calgaroto等人[44]产生了高度负载的纳米气泡，其保持稳定2周。Etchepare等人[45]使用离心多相泵（CMP）和空化区在水溶液中产生浓缩的纳米级气泡。这项工作证明了在水溶液中存在高度稳定的纳米气泡的可能性。除了空气之外，诸如N2、CH4和Ar等气体也被用于在水中产生纳米气泡。这种气泡非常密集，密度高达每毫升10- 13个气泡，并且寿命长，持续长达2周[46]。图4[46]显示了在水溶液中平均尺寸为50 nm的纳米气泡的扫描电子显微照片。在有机溶剂中也观察到稳定的纳米气泡[47]。在目前的市场上，有市售的设备可以产生稳定的纳米气泡。Azevedo等人[48]报道了高浓度的纳米气泡（每毫升6.4 × 108个气泡）是由专利喷雾器CavTube产生的，它通过水和空气混合物的突然收缩和膨胀产生纳米气泡。图5[48]显示了使用具有背光和1000倍物镜放大的光学显微镜记录的稀释亚甲蓝蒸馏水中的纳米气泡在科学技术领域引起了广泛的兴趣浮选广泛应用于采矿业，纳米气泡在细颗粒分离中得到了广泛研究。纳米气泡倾向于附着在细粉上，导致颗粒聚集并允许在泡沫浮选过程中回收细粉[49]。纳米气泡在食品工业中也有许多潜在的应用，从饮料和烘焙产品到食品，见图4。水溶液中的氮纳米气泡。[46]经许可，转载自参考文献图五、水中纳米气泡的图像复制自Ref。[48]第48话许可禅食[50]。例如，将纳米气泡引入食品系统可以有效地提高冷冻速率并减少总冷冻时间，因为纳米气泡为冰晶的形成提供了大量的核。纳米气泡在农业部门的有效应用也得到了研究。Michailidi等人[51]报道说，纳米气泡可以促进植物生长。分别使用自来水和用空气、氧气和氮气的纳米气泡饱和的水来浇灌番茄植物。研究人员发现，与自来水相比，空气，氧气和氮气增强的纳米气泡水的番茄重量分别增加了25.5%，32.7%和58%。近几十年来，纳米气泡也被研究为生物医学应用中的有效工具[52]。Zhou等人[53]报道了一种合成用于诊断和核酸递送的稳定蛋白质壳纳米气泡的新技术。尺寸范围从400至700nm的纳米气泡可以将寡核苷酸的负载能力提高多达1.6 × 10 -3个DNA分子/纳米气泡。纳米气泡的其他潜在应用包括废水处理、水净化和表面清洁[51，54]。这一记录的证据证实，纳米气泡（空气或其他类型的气体）可以在水和有机溶液中存活很长一段时间，而没有有机的“皮肤”-这种现象很难用Epstein-Plesset理论或Fox和Herzfeld的理论来解释。人们提出了一些解释。例如，已经考虑了气体饱和和高度浓缩的纳米气泡之间的相互作用。这种解释仅限于极高浓度的气泡[55]。动态平衡模型[56]解释了附着在固体颗粒上的纳米气泡的稳定性，但对于不含固体颗粒的系统无效。到目前为止，所提出的解释可能只对个别情况是合理的。尚未确定一种广泛接受的理论来解释和预测不同条件下纳米气泡的长期稳定性[57]。2.3. 空化影响因素2.3.1. 温度在许多情况下，流体温度是影响核形成和空化事件的决定性因素，包括化学反应、热流体注入和低温空化。理论上，温度在空化流中起着明显的作用. 一方面，在相同的环境压力下提高温度促进液体蒸发，导致更大的空化倾向;另一方面，由于气泡内的蒸汽压降低，它使空化现象降级。液体蒸发的潜热降低了气泡周围的温度，因此减少了蒸汽H. Zheng，Y.郑氏，中国科学院植物研究所所长。Zheng和工程19（2022）180186气泡内的压力值得注意的是，提高温度通常会降低气体在液体介质中的溶解度，因此作为空化引发的关键因素的空化核的数量这导致空化起始的更高阈值。在上个世纪，人们对温度对空化的影响进行了广泛的研究，人们普遍认为，温度升高会增加空化数，延迟空化开始，并降低空化强度[58]。最近的研究证实了热效应对空化核的负面影响涅姆切夫斯基[59]观察到，在化学脱氧的水中，空化强度随着温度的降低而增加，并且随着温度的升高而减弱。Torre等人报告了类似的结果[60]，他声称热效应与空化强度成这一结论是由于降解性能随温度的升高而恶化Li等人[61]使用溶解的氧和氮作为空化核来研究水的拉伸强度，并得出结论，较高的气体浓度导致较高的空化概率。氧和氮的溶解度在升高的温度下显著降低的事实是造成较低的空化概率的原因。DeGiorgi等人[62]观察到温度具有混合效应。在293-333 K范围内，增加温度导致更高的空化数;然而，超过这个范围，进一步增加温度到348 K导致空化数减少，引发空化的开始。2.3.2. 压力压力是影响空化起始的重要变量。由于蒸汽压力和下游压力经常用于计算水流的空化数，因此研究入口压力可能是值得的。尽管它在测量和控制上很简单，直到最近二十年，才开始研究入口压力对空化的影响。Soyama[24]使用以水为液体介质的文丘里管研究了上游和下游压力对空化强度的影响他观察到，当下游压力保持不变时，空化区随上游压力的增加而单调增加，如图12所示。 6 [24]. 当上游压力一定时，空化开始发展，空化强度随下游压力的降低而迅速增大.Joshi和Gogate[63]证明，当入口压力增加时，敌敌畏水动力空化降解更快。他们的结果表明，增加入口压力会导致下游压力和压力恢复率的增加Kumar和Pandit[64]报告了在较高入口压力下严重的下游湍流和剧烈的空腔塌陷，他们将其归因于高入口压力引起的孔板上的大压降在研究调节阀时，Liu等人[65]发现，空化区和强度均随入口压力增加而增加通过数值模拟进一步研究了由较高入口压力引起的空化增强现象[66]。当进口压力随正弦波动时，空化过程和流场结构也随之波动。脉动的振幅存在一个最佳频率抑制空化的发生然而，入口压力对应于系统压力。增加的系统压力可对空化的产生和强度产生负面影响2.3.3. 液体介质液体介质的物理性质包括挥发性和粘度。关于液体介质挥发性的影响，有相互矛盾的报道。 T as，Demir等[67]观察到挥发性溶剂可以有效地从废水中去除图六、空化随上游和下游压力而变化方面随（a）下游压力p2（p1= 0.6 MPa）和（b）上游压力p1（p2= 0.1 MPa）而变化复制自Ref。[24]第10段。H. Zheng，Y.郑氏，中国科学院植物研究所所长。Zheng和工程19（2022）180187··(98.4%），即使在不通气的情况下。液体介质中的蒸发蒸汽通常作为核来增强空化[34]。另一方面，高挥发性液体的容易蒸发可能导致难以防止蒸气逸出液相，因此液相中可以保持较少数量的空腔[68]。Bebchuk等人[69]研究了由空化影响引起的金属腐蚀，并得出结论，只有当水和乙醇等液体的液体蒸汽压力范围为35 - 80 mmHg（4.66-10.66 kPa）时，才会促进空化这一发现表明，存在一个最佳的蒸汽压，从而最佳的挥发性的液体，促进空蚀。液体粘度会影响空化气泡的形成和溃灭。虽然具有较高粘度的液体，例如油或单体，在各种工业应用中是常见的，但是关于粘度对空化过程的影响的研究仍然很少，特别是在关于空化的实验研究方面。令人惊讶的是，几乎所有的相关工作都只在理论层面上进行[70]。这些结果表明，液体必须克服其内部的力量，以产生空腔，使这些力量的任何增加将导致增加所需的能量，以启动空化。实验观察证实了这一建议[71，72]。更粘稠的液体需要更多的能量来捕获作为核的气泡;因此，高粘度倾向于延迟空化气泡的演化过程。液体粘度对空化的影响不如温度和压力的影响大。Arndt[73]指出，随着粘度的增加，空腔塌陷压力的变化并不显著。后来，Nazari-Mahroo等人[74]根据对单个空化泡的研究，确认体积粘度对空化动力学的影响较小。然而，由于缺乏实验研究，粘度与空化强度之间的关系尚不清楚3. 空化诱导反应增强空化过程中的气泡破裂释放出大量能量，并伴随着极高的局部温度和压力[75]。记录的声致发光光谱表明，由于气泡塌陷，温度为5000K[76]。Qin和Alehossein[77]提出，最高温度可以随着气泡的大小而显著增加。这些极端的局部条件还产生化学活性自由基（OH、H）、紫外线（UV）辐射、强烈的局部湍流、微射流和几千个大气压的冲击波--这些特殊特征预计将显著增强质量和热量传递以及化学反应。水力空化已经应用于各种化学和生物化学过程以及环境应用。3.1. 空化强化传热水力空化中气泡溃灭会产生热点和剧烈的湍流。这些现象鼓励研究人员探索其应用通过直接收集热能和/或或提高传热速率俄罗斯科学家 努 力 开 发 水 力 热 发 生 器 ， 以 直 接 收 集 水 力 空 化 产 生 的 热 量。Zaporozhets等人[78]报告了水力热发生器中发生的涡流和空化非均匀流的实验结果，并证明加热效率随着液体温度的升高而降低，这是由于饱和蒸汽压的增加。 后来Little[79]测试了空化热发生器模型，他报告了80%的效率。Pyun等人[80个]继续研究基于空化的加热器，并报道了一种空化热发生器，其中空化气泡是通过高速旋转盘产生的。针对几个变量（包括入口压力、旋转速度和入口速度）评估了热能的产生和热效率研究人员报告说，热效率高达94%。后来，同一个研究小组应用了类似的设备来消毒水[81]。实验结果表明，该装置可产生48.15MJ·h-1的热量，热效率达82.18%。产生的热量直接用于将水加热至61.9 °C，使得大肠杆菌（E.大肠杆菌）的 能 力 。除了利用空化气泡产生的热量外，还进行了大量的研究，以了解塌陷气泡在提高传热速率方面的作用[82]。特别注意了声空化对传热的影响。相对较少的研究集中在流体动力空化强化传热。由于文献有限，流体动力空化对传热机制的影响主要是在微通道系统中研究的。研究发现，空化产生的湍流和微射流对提高系统内和壁面到系统的传热速率起着关键作用Schneider等人[83]实验研究了以去离子水为液体介质的硅通道内流体动力空化诱导的强制对流换热。他们得出结论，对流传热是主要的传热机制。空化强度是影响传热速率的一个积极因素由于空化现象的存在，最大传热系数提高了67%。由于去离子水被制冷剂流体R-123取代，因此传热率增加了84%[84，85]。另一项使用R-134 a制冷剂流体作为流动介质的研究进一步观察到空化促进的传热[86]。实验结果表明，该换热器由于采用了微孔诱导水力空化，换热系数可达100 kW·h（m2·K）-1。这一结果是先前发表的研究中记录的最高值的两倍[87]。虽然文献中的大多数研究都采用窄孔来诱导水力空化，但一些研究报告使用缩放喷嘴来诱导水力空化。同样，使用R-134 a制冷剂流体作为流动介质，在所提出的系统中观察到高达285 kW <$（m2<$K）-1的传热系数[88]。除了实验研究，数值研究例如计算流体动力学（CFD）已经被执行以理解空化气泡破裂的行为及其对传热的影响。应用流体体积（VOF）模型和FLUENT商业软件，Liu等人[89]研究了微通道系统中考虑壁效应时空化气泡轮廓的动态行为。由于微通道系统的小尺度，壁效应在微通道系统中可能是显著的。模拟结果表明，在不同的能量作用下，换热既可以增强，也可以减弱以及空化气泡相对于微通道壁的位置。确定了最佳的初始气泡半径最大的传热增强。为了最大化空化对热传递的影响，气泡优选位于两个平行壁之间的中心。同一研究小组最近提出了一种三维（3D）数值模型，用于预测加热管中两个空化气泡之间的相互作用及其对传热的影响[90]。他们证实，气泡破裂过程中产生的微射流在增强传热方面起着关键作用。H. Zheng，Y.郑氏，中国科学院植物研究所所长。Zheng和工程19（2022）180188··3.2. 空化强化传质正如在2.1节空化的开始中所提到的，许多物理和化学效应伴随空化产生空化还导致在介质内产生局部湍流和液体微循环，从而提高输送过程速率[91为了确定水力空化如何改善传质，已经进行了许多实验，并使用了几个常用的评价标准，包括反应速率、过程产率和局部传质系数。当孔板压力降低到低于液体蒸汽压力时，会产生气泡，这些气泡会增强传质。微泡的存在不仅显著地扩展了相互作用的表面积，而且在混合液体内产生浓度梯度，因此使过程输出最大化。普莱塞和普罗斯佩莱蒂[94]指出，质量扩散主要发生在气泡-液体界面处，并且它在气泡的行为中起重要作用，因为该行为最终可以决定液体中气泡的存在或不存在。至于气泡本身，质量扩散和气泡半径相关，因为以下效果：浓度效应。当气泡膨胀时，捕获在气泡内的气体的浓度降低，并且气体扩散到气泡中;同样地，当气泡收缩时，捕获在内部的气体的浓度增加，并且气体从气泡内部扩散。壳效应。由于气体向液体的扩散速率与溶解气体的浓度梯度成正比，因此当气泡收缩时，气泡壁外的气体浓度降低;因此，气体扩散离开气泡的速率大于平衡。类似地，当气泡膨胀时，气泡壁附近的气体含量增加，并且向内部的扩散速率大于正常情况。这种对流具有改善质量扩散的净效应。空化气泡行为有两个主要方面：第一个方面是气泡的振荡幅度，其由所产生的空腔崩溃压力的大小秒是气泡的持续时间，其表示为行进的这两个方面都与水力空化过程中发生此外，Peng et al.[95]发现，由于气泡内的压力降低，在膨胀过程中另一方面，在气泡破裂的过程中，蒸气可以冷凝回到液相并从气泡中释放出来由于气泡内外浓度不平衡，不凝气体的量也因传质而变化。大量的 研究已经证 明了空化对 改善质量扩 散过程的有 效性。Karamah等人[96]使用声学和流体动力学空化来提高臭氧传质系数，这是Zhang等人[97]提出的数学模型，并应用了经典的非稳态方法。他们发现，由于气泡的形成导致传质面积增加，水力空化的系数约为1.6倍;此外，从机械效应获得的增强效果低于化学效应。 Kelkar等人[98]发现水力空化是一种有效的方法（> 90%转化率），以加强酸的酯化，在常温常压下合成生物柴油Milly等人[99]使用HCR来改善从本体流体到表面的质量传递，并证明成功地增加了透明流体到UV照射表面的质量Chuah等人[100]还表明，水力空化产生的高湍流通过增加界面面积有效地降低了传质阻力Braeutigam等人[101]和Franke等人。[102]研究了水动力和声空化相结合的水处理效果，发现这种结合的技术具有协同效应。Arrojo等人[103]指出，水力空化作为一种非常低频的超声反应器，产生大气泡、大压力脉冲和OH自由基。3.3. 物理效应空化的机械效应也增强气-液系统中的反应空化气泡碰撞产生的极端温度、压力和湍流导致显著的结构和机械变化。此外，传质不仅存在于气泡和液体边界表面之间，它还发生在两种或多种液体介质之间的界面处。由于在空化过程中可以产生数百万个微观气泡，当气泡破裂时，它们产生强大的因此，Gogate[104]建议将水力空化作为加强液体之间传质的一种方式，因为许多非均相反应中的速率决定步骤是界面处的传质。在空腔内，气体和蒸汽被热捕获，产生极大的热量，直接增加表面的温度，并在塌陷时产生局部热点。因此，每个腔在塌陷阶段期间可以被视为微反应器，因为温度和压力都将达到最高峰，并且截留的有机分子将在该区域内热分解成更小的分子。虽然这个区域的温度非常高，但这个区域本身非常小，热量很快就会消散;因此，大部分液体保持在正常温度。同时，由于腔体的振荡和亚稳态塌陷，在界面区域产生了高剪切微射流和湍流湍流和混合使颗粒均匀分布并充分相互作用，从而形成精细乳液。然后，可利用的表面积大大增加，提高了反应速率。因此，在气泡-液体界面处的反应速度此外，由空化产生的乳液通常更稳定，并且几乎不需要任何表面活性剂来维持这种稳定性。这是非常有用的，特别是在相转移反应领域[104]。3.4. 化学效应如前所述，在蒸汽塌陷过程中此外，自由基（例如，OH和H）在空化过程中由于空化气泡中捕获的水分子的解离而产生。这些自由基与主体流体混合，可以引起各种化学反应或改变反应机理。在此过程中涉及的主要反应在Eqs中给出。（5）和（6）。水！H·+OH·5H2O噢！ H2O2-6●●H. Zheng，Y.郑氏，中国科学院植物研究所所长。Zheng和工程19（2022）180189·······近几十年来，人们对开发数学模型以模拟空化现象、预测自由基形成和影响自由基形成的因素的兴趣日益浓厚[105大多数记录的建模研究都是基于声致空化产生的，因为它相对容易产生可控的单个气泡。Sochard等人[110]提出了一个模型，将自由基的产生与声场中的气泡动力学相关联，该模型基于以下假设：在气泡最大压缩时，在热力学平衡从所提出的模型出发，导出了产生自由基的最佳本体液相温度，并通过水溶液氧化反应的实验结果进行了验证Gireesan和Pandit[111]通过与化学反应耦合的扩散限制模型模拟了二氧化碳（CO2）对空化的影响。CO2浓度的增加对空化强度有抑制作用.随着气泡中CO2浓度的增加，崩溃温度和羟基自由基产率均降低Fourest等人[112]比较了经典Keller-Miksis模型和有限元素模拟在受限介质中的单气泡动力学结果气泡动力学的振幅和周期的差异分别为3%和1%，两种方法传输的压力变化均小于1%。3.5. 各种过程3.5.1. 污水处理过程流体动力空化过程中产生的羟基自由基（OH）是参与氧化反应的主要活性物种，其还原势为2.7eV。这些自由基扩散到工作流体中并参与二次氧化反应，该二次氧化反应发生在气-液界面处由于它们的非选择性和极强的反应性，羟基自由基可以很容易地氧化许多敏感的有机分子[113]。自由基的这一突出作用使其成为工业废水处理的有效工具Badve等人[114]使用生成的羟基自由基去除废水中的有机杂质;他们发现添加过氧化氢可增强化学需氧量（COD）的去除，因为额外的羟基自由基可用于氧化废