空化与气液两相流

很多客户在咨询微纳米气泡技术的过程中,都对于空化产生的瞬间高温、自由基非常感兴趣,同时,也对非加压溶解减压释放的水力切割或机械切割式微纳米气泡发生方式非常感兴趣(实际上也并不是所有微纳米气泡应用场景都需要加压溶解减压释放)。因此,我们在这里简单了解一下空化过程和气液两相流动。

(1)空化

空化是非常复杂的过程,我们只能简单的了解一下,首先,我们要注意,空化是两个过程,第一阶段,液体内部出现局部低压(真空)区,溶解气体或液体蒸汽进入低压(真空)区形成脆弱气泡核,当该区域压力恢复或升高后,蒸汽液化或气体溶解,液体分子快速短时间冲击进入该区域,所带来的动能由于微射流、冲击波碰撞耗散,导致局部高温、分子键断裂(形成自由基)等物理化学以及声学和光学现象。该过程经常使用我们前面提到的无量纲数——空化数来描述。 空化的研究包括空化动力学和超声空化学等,这超出了我们的知识范围,我们也就不再介绍了。 空化会导致气体局部过饱和,为微纳米气泡的形成创造了条件,同时也由于局部压力的剧烈变化会淬灭微纳米气泡,具体的过程需要结合实际情况来分析。

(2)气液两相流动

流体流动不是我们关注的主要内容,但很多微纳米气泡形成过程与气液两相流动有关,因此我们在这里稍微了解一下。气液两相流从字面上就可以知道是气体和液体混合在一起的流动,根据气体在水中的形状和连续性,可以分为气泡流、活塞流等,当然和其他流体研究一样,气液两相流动也包括基本流体运动方程、传质传热耦合理论以及计算流体力学内容,我们就不去了解了,对于关注微纳米气泡的我们,气液两相流动大致包括以下几个方面:

(1)当气泡以微米级存在时,由于微米级气泡的弛豫时间短,在较大范围的雷诺数区间内基本都是跟随液体流动,可以看做是一种特殊的气液两相流;因此可以利用微米气泡在较长时间内随液体流动的特性进行相关应用,利用多普勒声场测量、PIV等光学测量以及边界层分析等等,在工业上,也可以利用这一特性进行低雷诺数下的强化传质、浮选等等;

(2)当气液两相流由于结构、外力干预或者液体内部压力分布等原因造成气体在液体中进行受限流动时,包括气体分布至少一个维度空间受限时的气液两相流动,会由于流体局部强湍流或形成高雷诺数、高斯特劳哈尔数的稳态或非稳态周期扰动,造成气相被连续切割,形成破碎气泡流,当强度增大到一定程度时,就会形成微纳米气泡流,这也就是我们常见的水力切割式微纳米气泡发生装置,如现在常见的喷嘴类、射流器类的微纳米气泡发生方式;很多客户会咨询到这一问题,我们在这里简单介绍一下,这一类微纳米气泡发生方式,主要依靠局部形成碎流,过量的气相比例会将气体推出碎流区,形成大气泡,受到原理级别的限制,无论在机构和实现方式上如何优化,其气体液体的体积比例都不会太高,要达到好的微纳米气泡发生效果,一般不应超过5%,越低“切割”效果越好,同时由于该过程需要依赖高雷诺数,局部损失较大,因此,该技术并不适合用于如增压、曝气等气液传质(除非对微纳米气泡的其他功能有需求)过程,而由于该技术结构简单,可以直接安装在管道上,更适用于需要向目标流体引入较低含量微纳米气泡以实现某种功能(如声学失效、减阻、清洗)的场景;NANOscientific的NS-JET系列产品就是基于该过程的微纳米气泡发生装置,其主要用于管道清洗、声学测量等;

(3)当准确控制流道,大幅度降低雷诺数和韦伯数,及尽可能保证稳态流动的同时,大幅度提升表面张力贡献时,微米气泡甚至亚微米气泡的可控发生成为非常简单的过程,也就是我们所说的微流体控制技术,这个过程对于产生尺寸、数量可控的微米级气泡变的异常简单,但是由于过高的雷诺数以及表面张力最小作用时间即表面毛细波(这个我们在分子毛细管理论部分会简单介绍)等会引发瑞利泰勒不稳定或开尔文亥姆霍兹不稳定问题,因此微流体控制技术产生气泡的频率有上限。NANOscientific非常关注使用微流控微纳米气泡发生技术,也进行了一些卓有成效的尝试,我们通过在传统T-Junction结构的下游设置流体振荡旁路的方式,有效缓解了高频下剪切力造成的气泡不稳定,同时再借助振荡区引入的“新鲜”流体二维溶解过程调整气泡最终尺寸,但该技术对水、气调控以及微结构的精密度要求较高,适合对气泡尺寸、频率控制要求很高的情况使用;

(4)由于胶体稳定性的存在,我们一般不会把纳米级气泡水流动看做气液两相流,虽然其确实与具有普通水流不同的性质,但这些性质一般与流体性质无关,我们就不在这里介绍了。