孫遜，趙越，玄曉旭，趙珊，YOON Joon Yong，陳頌英

（1 山東大學機械工程學院，高效 潔凈制造教育部重點實驗室，山東 濟南 250061；2 山東大學國家級實驗教學示范中心，山東 濟南 250061；3 山東大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266237；4 漢陽大學機械工程系，韓國 安山 15588）

化學工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)與支柱產(chǎn)業(yè)，也是我國污染的主要來源和能源消耗大戶之一。化工過程強化技術以節(jié)能、降耗、環(huán)保、集約化為目標，是實現(xiàn)傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)轉型升級、可持續(xù)發(fā)展與低碳經(jīng)濟的重要手段。作為化工過程強化替代能量方法中的重要手段，聲化學技術已被廣泛應用于乳化、萃取、降解與催化等。聲化學效應源自空化現(xiàn)象，可由超聲波[即超聲空化（acoustic cavitation, AC）]或流場局部壓力降[即水力空化（hydrodynamic cavitation, HC）]高效誘發(fā)。相比適用于實驗室等小規(guī)模處理的AC 技術，HC在設備放大與成本上具有明顯優(yōu)勢，具有廣闊的工業(yè)應用潛力。

HC 現(xiàn)象是當液體高速運動致使其局部靜壓力低于飽和蒸汽壓時，在液體中或在固-液交界面微小縫隙內(nèi)存在的氣核由于內(nèi)外壓差的變化開始生長，在遭遇壓力恢復或生長至最大直徑時潰滅的過程，并伴隨著巨大能量的釋放[圖1(a)]。早在1756年，Euler即首次指出：“水管中某處的壓強降到負值時，水即自管壁分離，該處將形成一個真空區(qū)，這種現(xiàn)象應予避免”。Reynolds 在1873 年首次報道了空化對螺旋槳的破壞作用。此后，學者便一直研究HC現(xiàn)象以緩解其對水力機械、流體機械等帶來的壓降、噪聲與空蝕等負面影響，從而提高裝備的性能與壽命。另外，HC釋放的能量也可用于強化多種化工過程。Pandit 與Joshi在1993 年首次利用HC水解油脂，發(fā)現(xiàn)HC可高效誘發(fā)與AC類似的聲化學效應，且在能耗上具有優(yōu)勢。自此，關于HC 的應用研究便在國內(nèi)外蓬勃開展起來，包括：微生物滅活（水消毒、細胞裂解）、有機污染物降解、剩余污泥破解、解聚、脫硝、脫硫、脫木質素、強化浮選、食品加工、表面精加工、乳化等。HC作為一種新興過程強化技術，在國外發(fā)展迅速，目前已形成以Aniruddha B. Pandit 與Parag R. Gogate（廢水處理）、Vivek V. Ranade（廢水處理）與Giancarlo Cravotto（生物質資源化）等為首的若干團隊；但國內(nèi)相關研究尚處起步階段，僅有如黃永春（殼聚糖降解）、蔡軍（污染物降解）、宋立國（船舶尾氣脫硝）、董志勇（污染物降解）、龍新平（裝備機理與滅菌）與孫遜（裝備機理）等研究者開展的有限探索。鑒于該技術廣闊的應用前景，本文將重點介紹HC現(xiàn)象與特性，及其在有機廢水降解、水消毒與生物燃料制備等三類典型過程強化的應用， 還將總結水力空化反應器（hydrodynamic cavitation reactor,HCR）的發(fā)展歷程與研究進展，從而促進國內(nèi)研究者對該技術的了解，對其在國內(nèi)的發(fā)展與應用具有一定的指導意義。

圖1 空化現(xiàn)象與聲化學效應

1 水力空化現(xiàn)象及其特性

空化氣泡潰滅時產(chǎn)生的巨大能量具體表現(xiàn)為以下三種直接效應（數(shù)據(jù)均為在水中得到）。

（1）機械效應 由于氣泡潰滅時其氣-液交界面在極短時間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，可產(chǎn)生沖擊波[如圖1(b)所示，平均傳播速度可達2000m/s]、微射流（最大速度可達150m/s 以上，可產(chǎn)生200MPa的水錘壓力）與強剪切應力[如圖1(c)所示，最高可達3.5kPa]。

（2）熱效應 潰滅時氣泡內(nèi)部產(chǎn)生局部“熱點”[圖1(d)]，溫度可達5200K；而在氣-液交界面上的溫度可達1900K；對附近液體的加熱和冷卻速率超過10K/s。其溫度數(shù)值受外部條件與介質的影響。

（3）化學效應 在上述極高溫、高壓條件下，水分子被聲解并產(chǎn)生一系列的化學反應，最終產(chǎn)生具有強還原性的·H與強氧化性的·OH、HO。

空化還可誘發(fā)如下次級效應，如湍流、機械振蕩、乳化、擴散、擊碎與宏觀熱效應等。因此，以上三類效應誘發(fā)的極端反應條件可大大加強各反應物間的相互作用和非均相體系間的混合，降低反應所需苛刻條件，加快反應速率，從而提高產(chǎn)率與選擇性。

空泡由HCR 誘發(fā)，因此HCR 所呈現(xiàn)的空化特性及其主導的外特性決定著過程強化機理，其性能的優(yōu)劣也從根本上決定著處理效果與經(jīng)濟性。根據(jù)運轉方式，HCR 可被分為非旋轉式[圖2(a)]與旋轉式[圖2(b)]。非旋轉式HCR（如文丘里、孔板與渦流二極管等）結構簡單，無動部件，流體被泵賦予動能后流經(jīng)其收縮部時速度加快，導致靜壓力降低，從而在下游的擴張區(qū)域產(chǎn)生空化，并伴隨著周期性的空化云的脫落。而旋轉式HCR（advanced rotational HCR,ARHCR）則是通過高速轉子上的諸盲孔[空化發(fā)生單元（cavitation generation unit,CGU）]剪切流體[即剪切式，圖2(b)左]，或通過定、轉子上的CGU 間相互作用[即相互作用式，圖2(b)右]，產(chǎn)生流動分離與渦流，誘發(fā)云空化和渦空化。關于HCR的研究進展詳見第3節(jié)。

圖2 代表性HCR

2 基于水力空化的代表性過程強化應用

2.1 水力空化強化有機廢水降解過程

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，污水成分日趨復雜，傳統(tǒng)的生物法已無法滿足不斷提高的環(huán)保要求。HC可對含有如抗生素、農(nóng)藥、染料、苯酚類、苯胺類、氰化物等成分的生物難降解廢水產(chǎn)生處理效果。其降解機理被認為是氣泡潰滅時產(chǎn)生的機械效應使污染物分子主鏈上的碳鍵斷裂、局部熱點的熱解以及產(chǎn)生的·OH、HO氧化效果三者的共同作用。以降解染料為例，王金剛等基于紫外-可見分光光度法（UV-vis）對利用HC 處理活性艷紅K-2BP 模擬廢水過程中廢水的光譜變化進行了分析，發(fā)現(xiàn)偶氮共軛物（對應=536nm）與芳香環(huán)均在處理過程中被破壞，達到了脫色的效果[圖3(a)]。Basiri Parsa 等通過UV-vis 分析了HC 降解羅丹明B模擬廢水的光譜變化[圖3(b)]，發(fā)現(xiàn)發(fā)色團氧雜蒽結構被降解（對應=556nm 處吸收帶的持續(xù)降低），吸收譜峰迅速藍移（對應在第240min時譜峰從=556nm 移至546nm），而-脫乙基（對應=210nm）和多芳環(huán)（對應=330nm）也發(fā)生了開環(huán)反應。李攀等通過傅里葉紅外光譜儀（FTIR）發(fā)現(xiàn)，甲基橙的偶氮鍵和苯環(huán)在HC降解過程中被破壞，發(fā)生了脫硫脫甲基反應，形成了苯胺和苯磺酸。

圖3 HC降解過程中UV-vis光譜的變化過程

除單獨應用外，HC可與如AC、氧化劑（如芬頓、臭氧）、光催化、類芬頓、光解與電化學等方法高效協(xié)同，協(xié)同降解效果可達單獨使用效果之和的數(shù)倍。由于聲化學效應產(chǎn)生的高壓、高溫條件，強氧化性物質以及強湍流的混合作用，大大促進了反應物（如氧化劑、催化劑）的溶解或混合，加快反應速率，強化·OH等自由基的生成，從而極大地提高了降解率，減少了反應時間與成本，使HC處理商業(yè)化成為可能。以降解羅丹明B為例（見表1），單獨使用HC 在最優(yōu)條件下僅可獲得38.7%的降解率，而耦合HO、鐵片、NaOCl、芬頓和TiO可使該數(shù)值分別提升至99.9%、87%、94%、99.72%和91.1%。在協(xié)同處理成本方面，Gogate 等就HC 耦合氧化劑降解卡馬西平給出了代表性的例子：在相同條件下，單純使用HC、O與HO僅在第120min 時分別獲得了38.7%、49.1%和29.4%的降解率；而耦合三者則可在第100min時取得100%的降解率，成本僅略高于單獨使用HC。

表1 基于HC降解羅丹明B的代表性研究

在協(xié)同機理探究方面，Choi等基于液相色譜質譜聯(lián)用（LC-MS）分析了HC 與SO對雙酚A 的協(xié)同降解機理：通過從（羥基）雙酚A自由基中去除水，形成（苯氧基）雙酚A自由基后斷裂，最終產(chǎn)生了異丙烯基苯酚和苯氧基自由基，從而完全降解了雙酚A以及親、疏水性的中間產(chǎn)物，避免了有毒副產(chǎn)品的產(chǎn)生。再者，當耦合HC 與催化劑時，HC 產(chǎn)生的機械效應可持續(xù)沖刷、清洗催化劑表面，使之保持較高催化活性，從而進一步促進污染物的協(xié)同降解。賈金平等在降解四環(huán)素模擬廢水結合掃描電鏡（SEM）時發(fā)現(xiàn)：在相同工況下，單獨HC 只取得了12.2%的降解率；單獨光催化的降解率為28.1%，這是由于降解中間產(chǎn)物黏附在TiO顆粒表面，使之產(chǎn)生了團聚現(xiàn)象[圖4(b)]；而二者耦合時，HC阻止了催化劑的聚團[圖4(c)]，降解率也上升至78.2%。LC-MS結果表明，四環(huán)素的降解途徑可能是其羥基化、脫氨基與其他官能團的破壞。

圖4 光催化/HC降解四環(huán)素廢水時TiO2顆粒的SEM圖

隨著研究者對協(xié)同耦合與工藝優(yōu)化的不斷探索，目前HC在小試規(guī)模已實現(xiàn)了令人滿意的處理效果：在最優(yōu)工況下可對如三氯殺螨醇（耦合HO）、卡馬西平（耦合超聲空化與O）、硫氰化鉀（耦合HO、O與CuO）、4-氯2-氨基苯酚（耦合超聲空化與O）與羅丹明6G（耦合O）等多種模擬廢水分別實現(xiàn)100%（礦化85%）、100%、96.85%、99.72%與100%（礦化73.19%）的降解率；也可分別去除如染料（耦合芬頓）、木材加工（耦合HO）、酚類（耦合HO與O）、洗衣（耦合O與ZnO）與廚房（耦合HO與O）等真實廢水中85% （礦化70%）、89% （礦化60%）、60.8%、89.38%與98.25%（礦化76.26%）的化學需氧量。在實際應用中，HC 模塊可用于難降解廢水的二級前處理或三級深度處理以強化生物降解，達到效果與成本的平衡，但目前尚無涉及中試及以上規(guī)模的公開報道，亟需對該技術進行放大應用與研究。基于HC廢水處理的更多信息可參考王保偉等與Boczkaj團隊的綜述文章。

2.2 水力空化強化水消毒過程

化學水消毒法高效、廉價，應用廣泛。消毒劑可與自然界存在的有機物或污染物發(fā)生反應，產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，對人體健康產(chǎn)生不利的影響。因此，很有必要研發(fā)新型綠色消毒技術對現(xiàn)有方法進行替代或輔助。HC 可對細菌[如大腸埃希氏菌（）、金黃色葡萄球菌、嗜肺軍團菌、糞大腸菌、枯草芽孢桿菌與肺炎克雷白氏菌等]、酵母、藻類（如銅綠微藻、柵藻、綠藻與藍藻等）以及病毒（如MS-2噬菌體）產(chǎn)生滅活作用。其機理是機械、熱和化學三種效應的綜合作用：機械效應可使細胞膜破裂，胞內(nèi)物質流出，乃至細胞失活；局部極高溫可導致細胞膜變性、DNA鏈斷裂和酶等重要蛋白質失活；而高活性的·OH 可氧化細胞膜、脂質與蛋白質中的巰基和雙鍵結構，造成不可逆的損傷。Mane等通過透射電鏡（TEM）發(fā)現(xiàn)：經(jīng)60minHC（非旋轉式HCR）處理后的金黃色葡萄球菌表面被明顯破壞，導致胞內(nèi)物質流出[圖5(a)]。相關破壞機理與Balasundaram和Harrison、Cerecedo等以及Xie等的發(fā)現(xiàn)一致。最近，孫遜等通過SEM 發(fā)現(xiàn)ARHCR 除了破壞表面（粗糙度明顯變大）之外，還可對其長度產(chǎn)生明顯影響（即細菌被一分為二），破壞效果明顯區(qū)別于非旋轉式HCR。此外，還提出了可能的破壞機理[圖5(b)]，但該機理仍需借助原子力顯微鏡進一步確認。在藻類破壞機理方面，李攀等通過SEM 觀察經(jīng)HC 處理后的銅綠微藻形態(tài)，發(fā)現(xiàn)一些細胞在處理10min后表面便呈現(xiàn)高度扭曲，失去了球形特征；30min后，幾乎所有細胞表面均有明顯的破裂；而在60min 后，細胞開始解體，胞內(nèi)物質流出[圖5(c)]。目前唯一利用HC 滅活病毒的研究來自Kosel 等，但其未涉及滅活機理，亟需深入研究。

圖5 HC對微生物的破壞效果

表2 匯總了近年來基于HC 滅活的代表性研究，結果表明，ARHCR 的消毒效果與效率均優(yōu)于非旋轉式HCR。例如，在取得100%消毒率的前提下，孫遜等提出的ARHCR 較Dalfré Filho等使用的孔板處理效率高2.4倍（分別為4.3L/min和1.33L/min），而單位體積耗電量卻只有后者的不到1/5（分別為0.058kW·h/L 和0.325kW·h/L）。除此之外，相同類型的HCR 在不同研究中所呈現(xiàn)的截然不同的性能說明了HCR結構的重要性。目前，HC 消毒技術不僅在效果上可行，更重要的是其不產(chǎn)生任何消毒副產(chǎn)物，無異味，較現(xiàn)有氯化等化學消毒具有優(yōu)勢。再者，HC 還可以作為外部添加模塊與現(xiàn)有化學法聯(lián)用，提高效果，降低用藥量，從而提高供水質量。李子富團隊發(fā)現(xiàn)：單獨ClO（3mg/L 劑量）取得的消毒效果在耦合AC后僅需一半劑量便可達到；此外，ClO/AC 耦合將副產(chǎn)物——亞氯酸鹽和氯酸鹽的濃度分別從2.46mg/L和1.37mg/L 降低至0.36mg/L 和0.16mg/L。因此，HC/化學消毒技術具有很高的商用可行性，但目前缺乏中試及以上規(guī)模應用的先例。關于HC消毒的更多信息可參考Zupanc等和孫遜等的綜述文章。

表2 HC滅活E.coli的代表性研究

2.3 水力空化強化生物燃料制備過程

生物柴油綠色、環(huán)保，具有獨特的生物降解性與可再生性，且其熱值幾乎相當于化石柴油，是理想的化石柴油替代品。生物柴油的工業(yè)生產(chǎn)以酯交換法為主，HC 現(xiàn)象產(chǎn)生的微小氣泡、機械效應（如微射流）與湍流可使非均相反應物（即醇相和油相）間充分混合、乳化，從而大大增加二者接觸面積，降低傳質阻力；再者，HC 現(xiàn)象釋放的巨大能量可為反應提供所需活化能，也可生成多種自由基，改變反應途徑，從而提高酯交換反應速率。近來，大功率AC 技術的發(fā)展掀起了AC 乳化生物柴油的研究熱潮。但直至今日，AC 設備的放大問題依然是制約其商業(yè)化的主要因素。2006 年，王建黎團隊首次以大豆油為原料利用HC 對堿催化制備過程進行強化，并對比了其與機械攪拌、AC的效果，發(fā)現(xiàn)：HC 產(chǎn)生了與AC 相似的強化效果，且其能耗（183W·h/kg）顯著低于其他兩種方法（AC 250W·h/kg，機械攪拌500W·h/kg）。此后，國內(nèi)外學者又分別以脂肪酸、烹飪廢油、棕櫚油、向日葵油與菜籽油等為原料利用HC強化酸、堿催化制備過程。以烹飪廢油為原料，為例（見表3），HC 在最優(yōu)工況下短時間通過酸、堿催化分別獲得了最高質量分數(shù)99%和97%的轉化率和產(chǎn)率，且處理量（最大可達50L）遠高于微波與AC。與HC水消毒研究類似，同類HCR在不同研究中展現(xiàn)了巨大的性能差異：以孔板為例，在Ghayal等與Bargole 等的研究中，二者在處理量與效果上相近，但前者的處理所需時間是后者的兩倍，這意味著HCR 的結構同樣對制備效果至關重要。在產(chǎn)品質量與成本方面，Cravotto 團隊指出：以棕櫚油和烹飪廢油為原料，利用HC制備的生物柴油各項指標均符合ASTM標準，且脂肪酸甲酯的含量大于99%（質量分數(shù)）；其制備能耗為0.03kW·h/L，低于傳統(tǒng)方法。應用方面，現(xiàn)有研究證明：由HC制備的生物柴油可與化石柴油按適當比例混合后供柴油機使用，無須任何改裝。雖然柴油機性能略有下降，但降低了CO、CO的排放，是一種可行的替代燃料。除以油類為原料外，HC 也可強化藻類或浮游生物的油脂提取過程。

表3 以烹飪廢油為原料利用HC制備生物柴油的代表性研究

HC還可用于預處理如刈草、梓木屑、松木屑、秸稈和甘蔗渣等木制纖維素類生物質以加強后續(xù)發(fā)酵工藝：聲化學效應通過有效破壞纖維素的結晶結構以及去除半纖維素與木質素成分，增強后續(xù)水解、發(fā)酵過程中纖維素的可及性，從而提高燃料的產(chǎn)率。Terán Hilares等在使用HC預處理甘蔗渣強化產(chǎn)乙醇的過程中發(fā)現(xiàn)，甘蔗渣纖維素在24h內(nèi)的水解率不到15%；而耦合HC、NaOH 與HO后，24h 后其水解率可達95.4%。SEM 結果顯示，未經(jīng)預處理的甘蔗渣表面呈現(xiàn)出光滑、有序、剛硬的結構特征[圖6(a)左]；而預處理后，其表面變得粗糙、凹凸不平、松散，使其更容易被酶水解[圖6(a)右]。Ramirez-Cadavid 等將HC 應用于玉米乙醇工業(yè)生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)較未受HC 處理時乙醇產(chǎn)量額外提高2.2%；HC 所需電費僅為額外生產(chǎn)的乙醇價值的1/38[圖6(b)]。更多相關信息可參考Terán Hilares等的綜述文章。此外，HC也可高效降解殼聚糖，黃永春團隊近期對此開展了大量研究?？偠灾琀C 在生物燃料制備上具有相當工業(yè)化潛力，但相關機理與放大研究仍需進一步探索。

圖6 HC預處理對木制纖維素類生物質表面形貌的影響（SEM照片）

3 水力空化反應器研究進展

迄今為止，國內(nèi)外學術界對HCR 的機理與應用研究絕大多數(shù)集中在文丘里管、孔板等傳統(tǒng)非旋轉式HCR，其機理與設計方法已十分成熟，相關信息可參考Merzkirch 等的專著，故在此不再贅述。近來出現(xiàn)的結構獨特的ARHCR 所誘發(fā)的空化強度較傳統(tǒng)HCR 獲得了大幅躍升，在多種應用中展示了遠高于傳統(tǒng)HCR 的處理效果與經(jīng)濟性，具有突出的應用潛力。以破解污泥為例，傳統(tǒng)HCR最多僅可獲得30%左右的破解率；而Petkov?ek等提出的ARHCR僅需6min便可對100L污泥取得57%的破解率，且未耦合其他工藝，ARHCR 的先進性可見一斑。然而，該類HCR 的理論與設計方法尚為空白。2007 年，Milly 等首次公開報道了ARHCR，并評價了其對液態(tài)食品的滅菌效果。但該ARHCR采購自Hydrodynamics Inc.公司，這說明ARHCR的商業(yè)化要早于其公開的理論與機理研究。最近，孫遜等發(fā)現(xiàn)ARHCR 結構參數(shù)對其性能產(chǎn)生了相當?shù)挠绊?，這意味著其結構設計與優(yōu)化的重要性，但目前國內(nèi)外關于ARHCR 的設備機理研究匱乏且尚未形成體系，相關設備機理研究總結如下。

3.1 實驗

Kwon 與Yoon提出了一種相互作用圓盤式ARHCR，通過流動可視化展現(xiàn)了定、轉子相互作用誘發(fā)空化的過程，考察了不同泵壓與轉速下溫升、熱效率與熱生成率等外特性的變化規(guī)律。Petkov?ek等提出了一種相互作用圓盤式ARHCR，借助流動可視化分析了空化生成過程，研究了不同轉速下因氣泡潰滅產(chǎn)生的振動特性。?arc等提出了一種剪切圓盤式ARHCR，通過流動可視化考察了內(nèi)部流場由無空化、附著空化、發(fā)展空化到超空化的演變過程[圖7(a)]。Kosel 等借助空化可視化對一種相互作用圓盤式ARHCR 的內(nèi)部流場在三種不同轉速下進行了分析。孫遜等對Kwon 與Yoon提出的ARHCR 利用流動可視化初步解釋了空化誘發(fā)原理[圖7(b)]，還對其全流量轉速工況下的熱生成率、熱效率與能耗進行考察，建立了相應的模型，并獲得實驗驗證。Gosti?a等對Petkov?ek等提出的設備在不同流量、轉速下壓降、壓力脈動、空化生成等進行了研究。以上僅有的研究受限于實驗條件，空化的時空演變規(guī)律需進一步探究；僅對單一或若干工況下空化形態(tài)的變化規(guī)律進行研究，尚未對其全流量轉速工況下展現(xiàn)的空化特性（渦空化、云空化的時空演變規(guī)律）開展探索；再者，缺乏通過粒子圖像測速對內(nèi)部流場特性的研究；其空化誘發(fā)與演變機制尚需進一步揭示。此外，僅考察了振動與熱等部分外特性，沒有對更能直接表征空化強度的如化學特性參數(shù)（·OH 生成等）進行分析。

圖7 ARHCR空化形態(tài)演變規(guī)律

3.2 數(shù)值模擬

在數(shù)值模擬方面的研究更為有限（圖8）。Badve 等利用單相非黏性數(shù)值計算對一種剪切滾筒式ARHCR 的流場進行了初步探索，分析了不同轉速下的壓力場和速度場，并通過碘化鉀分解實驗定性驗證了模擬結果。劉影等結合Filter based model 湍流模型和Kubota 空化模型研究了Badve等所提出設備的空化誘發(fā)原理：CGU內(nèi)流體由于離心力作用無法流入CGU 底部即被甩出，導致CGU 內(nèi)部形成低壓區(qū)，使流體在CGU 內(nèi)旋轉形成局部渦流，當內(nèi)部壓力降低到飽和蒸汽壓時，孔內(nèi)水體迅速從液相轉變?yōu)槠啵纬煽栈?，同時不斷地進行水汽交換作用；還考察了CGU 的孔徑、孔深、傾角對空泡體積分數(shù)的影響規(guī)律。王勇等采用RNG k-epsilon 湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型研究了Petkov?ek 等所提出的ARHCR 內(nèi)空泡時空演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)生成空泡體積呈周期性變化，且與轉子-定子葉齒的交錯周期相吻合。孫遜等基于空化可視化結果與簡化流場假設，利用komega SST和Schnerr-Sauer模型，分析了孫遜等所用ARHCR 在單個代表性工況下的壓力場與氣泡形態(tài)的時空演變規(guī)律，初步揭示了其空化誘發(fā)機制[圖8(a)]。這一研究清楚地表明，與剪切式ARHCR中空化僅于CGU 內(nèi)部生成不同，相互作用式ARHCR 中的云空化和渦空化分別在CGU的下游處和內(nèi)部產(chǎn)生。此外，該類ARHCR 定轉子間相互作用使空泡周期性生成與潰滅，極大地提高了空泡潰滅與能量釋放的頻率，這是其與非旋轉HCR 的本質區(qū)別。此后，孫遜等又基于該方法闡明了CGU的形狀（柱錐、圓柱、非相互作用式、圓錐、半球體五種結構）、直徑、間距、高度與傾角對其空化體積與所需軸功率的影響規(guī)律[圖8(b)]。結果表明，CGU 結構可對反應器性能產(chǎn)生巨大影響，故像現(xiàn)有國外一些公司想當然地設計的產(chǎn)品只適用于實驗室機理探索，難以實現(xiàn)真正的工業(yè)化應用。因此，建立多種ARHCR 的設計方法十分必要。然而，以上研究均是對ARHCR 的空化誘發(fā)原理與結構對空化產(chǎn)生影響的初步探索，尚無對全流量轉速工況的空化特性、空化強度進行系統(tǒng)研究，沒有基于數(shù)值模擬提出內(nèi)特性表征，也沒有對內(nèi)、外特性進行耦合關聯(lián)，其機理與設計方法的探索才剛剛開始。此外，為了加快其發(fā)展與應用，還需對ARHCR 的相似定律與放大策略等進行研究，目前仍是空白。

圖8 相互作用圓盤式ARHCR數(shù)值模擬結果

4 結語與展望

HC 是一種高效、綠色的化工過程強化技術，通過耦合氧化劑可有效降解、礦化成分復雜廢水中的有機污染物，特別適用于生物難降解工業(yè)廢水的二級預處理或三級深度處理；對病原微生物高效滅活的特點使其可用于船舶、海上平臺或應急用淡水的消毒；其強化生物燃料制備的效率遠高于微波、AC等手段，且已成功進行了工業(yè)應用。在HCR方面，傳統(tǒng)的HCR結構簡單，便于HC機理研究；而新興的ARHCR較傳統(tǒng)HCR展現(xiàn)出了性能優(yōu)勢，可實現(xiàn)連續(xù)處理，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。綜上所述，HC強化技術的效果較傳統(tǒng)方法呈現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展與應用前景。然而，作為新興技術的HC目前仍有許多問題亟待解決，結合文獻分析與筆者研究經(jīng)歷，建議未來在以下四個方面進行深入研究。

（1）在應用方面，水處理、強化生物柴油制備以及其他絕大多數(shù)應用研究中對HC成本與效果的評估均基于小試實驗數(shù)據(jù)，中試及以上規(guī)模的應用案例鮮見報道，其工業(yè)應用可行性還不明確。此外，目前尚無對HC 工藝的放大效應與規(guī)律的探索，未形成工藝設計方法，制約著其商業(yè)化應用。

（2）大多數(shù)應用研究過于側重工藝參數(shù)對效果的影響規(guī)律，而對強化機理探究的重視不夠。

（3）HCR 的性能至關重要，但相關機理研究（特別是ARHCR）有限。需定量研究其空化時空演變特性，如采用PIV等先進實驗測量技術對內(nèi)部流場結構進行探索；還需提出更能直接表征空化強度的表征參數(shù)，以便直接對其性能進行評價；也應基于實驗與數(shù)值模擬手段建立裝備的放大與設計方法。

（4）HC技術高度耦合動力工程與工程熱物理、化學工程與技術等學科，學科交叉特性鮮明?，F(xiàn)有絕大多數(shù)研究者為化工或環(huán)工背景，缺乏流體機械背景學者的積極參與。為加快該技術的發(fā)展與應用，應有效打破學科界限，實現(xiàn)跨學科合作。