圆柱旋转式水力空化反应器关键几何参数对空化性能及消毒效果的影响机制研究

本研究针对水力空化(HC)反应器结构优化与消毒机制不明确的问题，通过实验与数值模拟系统探究了圆柱旋转式水力空化反应器(CRHCR)中空化生成单元几何参数(如沟槽形状、宽度、深度等)对大肠杆菌(E. coli)灭活效果的影响。研究发现矩形沟槽在2 mm深度、68°斜齿角和5°倾角时达到最优空化性能，灭活率达90%，并通过SEM/TEM揭示了空化微射流导致的机械剪切是主要杀菌机制，为新一代HC反应器设计提供了理论依据。

　　

水力空化(HC)作为一种新兴的物理处理技术，在污水处理、化工强化和纳米材料合成等领域展现出巨大潜力。与传统声空化(AC)相比，HC具有能耗低、易放大等优势，但其核心挑战在于反应器结构设计缺乏理论指导，且微生物灭活机制尚未明确。特别是旋转式HC反应器(如圆柱旋转式CRHCR)虽表现出优于孔板/文丘里结构的性能，但几何参数如何调控空化行为仍是未解之谜。

为攻克这些难题，Licheng Xue团队在《Ultrasonics Sonochemistry》发表研究，通过实验与计算流体力学(CFD)模拟相结合，系统解析了CRHCR中空化生成单元几何参数对消毒效率和空化特性的影响规律。研究采用大型涡模拟(LES)和Schnerr-Sauer空化模型，结合高速摄像和电子显微镜(SEM/TEM)技术，构建了完整的空化性能评价体系。

3.1 消毒性能与细菌再生行为

实验显示CRHCR在4400 rpm下处理15分钟可实现90%的大肠杆菌灭活率，30天存储后细菌再生率低于5.88%。TEM观测发现空化微射流导致细胞壁破裂和胞质泄漏，证实机械剪切是主要杀菌机制。

3.2 几何参数对空化性能的影响

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  沟槽形状：矩形沟槽因垂直壁面产生更大低压区，其空化比率比梯形/三角形高35%

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  沟槽宽度：宽度增至6 mm时空化体积突增107%，因更大扰动区促进附着空化

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  斜齿角度：68°时剪切空化最强，角度过大会缩小文丘里效应区域

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  沟槽倾角：5°倾角通过增强涡流形成最优低压区，CPI(空化性能指数)提升42%

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  沟槽数量：28个沟槽时总空化体积最大，但需保留斜齿区域以维持剪切空化

这项研究不仅为CRHCR的几何优化提供了精确参数(如2 mm沟槽深度、68°斜齿角)，还通过创新性提出CPI指标，建立了空化效率与能耗的量化关系。其揭示的"机械剪切主导杀菌"机制，突破了传统羟基自由基(·OH)理论的认知局限，为新一代高效HC反应器在饮用水消毒等领域的应用奠定了理论基础。