转子-径向槽水力空化反应器的空化特性优化与消毒性能提升研究

为解决传统水力空化反应器空化强度低、能量利用率不足的问题，研究人员设计了一种新型弧线转子结构，通过优化转子-径向槽（RRG）反应器的空化发生单元（CGU）参数，显著提升了空化气泡体积（最高增加301%）和大肠杆菌消毒效率（提升17.7%）。该研究为高效无消毒副产物的水处理技术提供了新思路，发表于《Results in Engineering》。

　　

全球饮用水安全正面临人口增长与细菌污染的严峻挑战，传统氯消毒易产生致癌副产物，膜技术成本高昂，而水力空化技术通过气泡溃灭释放的局部高温（1000 K）和羟基自由基（·OH）展现出独特优势。然而，传统孔板式反应器存在易堵塞、空化效率低等缺陷，亟需结构创新。

针对这一难题，国内某研究机构团队基于转子-径向槽（RRG）水力空化反应器，提出了一种具有弧形叶片的创新转子设计。通过计算流体力学（CFD）模拟结合Zwart-Gerber-Belamri空化模型，系统分析了转子转速（3600-4200 rpm）和定子CGU宽度（0.9-2.7 mm）对空化特性的影响，并构建大肠杆菌消毒实验系统验证性能。研究成果发表于《Results in Engineering》，为水力空化技术的工业化应用提供了关键参数优化方案。

研究采用三大关键技术：1）CFD数值模拟结合标准k-ε湍流模型，捕捉空化气泡动态；2）基于Rayleigh-Plesset方程改进的空化核动力学模型，量化气泡临界半径R_c；3）大肠杆菌梯度稀释培养法（稀释倍数10⁶），通过平板计数法评估消毒率γ。

4.1 弧线转子对反应器空化性能的影响
通过对比原始转子与弧线转子发现：新型转子通过优化叶片角度（β₁=56°、β₂=34°）和吸力面曲率方程（(x₁+7/20r)²+(y₁-1/2r)²=(21/40r)²），将3900 rpm时空化气泡体积提升至2809 mm³（增长301%）。涡量分析显示，弧线转子在定子CGU内产生双重剪切空化，而原始转子仅能诱发单一涡流空化。

4.2 CGU宽度对空化性能的影响
当CGU宽度从0.9 mm增至1.8 mm时，空化区体积占比达90%，但继续增至2.7 mm会因剪切力减弱导致效率下降。这表明空化强度受CGU空间扩展与剪切力衰减的平衡制约。

4.3 消毒性能优化
弧线转子在3900 rpm运行27分钟后，消毒率达92.5%，较原始转子提升17.7%。值得注意的是，4200 rpm时虽空化体积增长11.6倍，但消毒率仅提高6.3%，揭示气泡无效溃灭导致的能量损耗问题。

该研究通过创新转子设计实现了空化强度与消毒效率的协同提升，但作者指出当前反应器规模仍局限实验室级别。未来需重点攻关大型化反应器的能量传递效率问题，以推动水力空化技术在饮用水消毒、有机污染物降解等领域的工业化应用。弧线转子的参数化设计方法（如叶片角度α₁=50°、α₂=30°的优化组合）也为其他旋转式反应器开发提供了普适性参考。