基于超空化（Supercavitation）超声辅助人工通气法绿色分离船舶舱底含油污水（Bilge and Oily Water, BOW）的新方法

《Results in Engineering》：Green Way to Clean Harmful Bilge and Oily Water on The Ship

　　

解决船舶舱底含油污水（Bilge and Oily Water, BOW）分离问题可显著减少自然资源消耗并改善生态圈管控质量。本文描述一种新方法，相较其他分离技术消除了无法获得高浓缩石油制品混合物的主要缺陷，详述了利用超声波（Ultrasound）与人工通气（Artificial Ventilation）在稳定超空化（Supercavitation）区域内抽取水蒸气以实现BOW分离的原理，深入探讨了控制空化穴（Cavitation Cavern）尺寸与行为的主要物理原理及方法。研究结果表明，相比标准水力空化（Hydrodynamic Cavitation），采用超声模式结合人工通气建立空化可将空化数（Cavitation Number, Ω）从3降至1.5；首次描述了分离过程主要特征的计算方法并给出算法；阐述了水蒸气脱除通道减压（Depressurization）过程的限制条件；通过实验评估了BOW分离过程效率并确定了分离器运行的最优数值区间——当能量效率（Energy Efficiency, ηe）取最大值83%、容积效率（Volumetric Efficiency, ηv）=10%、水力效率（Hydraulic Efficiency, ηh）=22%时，可获得最佳BOW净化效果，残油浓度≤15 ppm（mg/L），符合MARPOL 73/78公约要求。

本研究由Malakhov O.V., Nikolaieva L.L., Kiris O.V., Bondarenko A.V., Kozyryev I.P., Palagin O.N., Naydyonov A.I.（乌克兰敖德萨海事学院工程学院）发表于《Results in Engineering》。

【研究背景与意义】

现行船舶舱底含油污水（Bilge and Oily Water, BOW）处理普遍采用重力沉降、过滤、聚结及传统油水分离器，受MARPOL 73/78严格约束要求排水中残油≤15 ppm（mg/L），但现有物理、化学及生物法均只能产出净化水而无法回收高浓度油品，导致二次资源流失且增加滤材处置成本。传统分离器亦无法同时输出纯净水与可再利用浓缩油品。超空化（Supercavitation）相变分离利用局部低压使BOW中水组分汽化而油品因饱和蒸气压低留于液相，理论上可同步获取净化水与浓缩油，但超空化建立与维持能耗高、空化穴（Cavitation Cavern）稳定性难控、水蒸气抽取易致空化破坏等问题尚未解决。本研究提出水力空化联合超声波（Ultrasound, 16–25 kHz）诱导初生空化泡并辅以人工通气（Artificial Ventilation）稳定超空化穴，旨在降低泵送能耗、提升蒸发界面稳定性、实现BOW高效绿色分离并量化设计计算方法。

【主要关键技术方法】

搭建矩形平缝式空化工作腔（Working Chamber），内置入口/出口分隔板（Inlet/Outlet Separation Plate）形成超空化区；采用三种超空化维持模式对照——①纯水力（调流调速）、②纯超声激励（针型换能器 16–25 kHz, 2000 W）、③超声+人工通气（空气经入口板基部注入）；BOW流速6–29 m/s，温度30–80 ℃，工作压力约4 atm；测量不同模式下产水蒸气量、残油浓度（验证≤15 ppm）、能耗及空化数（Cavitation Number, Ω=(P_∞?P₀)/(0.5ρV_∞²)）；基于弗劳德数（Froude Criterion, Fr）、通气流量系数Q'与空化穴几何尺寸建立图解计算算法确定最佳运行参数；对比分析能量效率η_e、水力效率η_h、容积效率η_v随流量变化关系。

【研究结果】

3.1 The Influence of The Cavitation Channel's Geometry on Its Capacity（空化通道几何构型对其处理能力的影响）

通过分析带人工通气的空化通道，推导无量纲通气流量公式Q=f(Fr, Ω)/λ·(?P/?l)，指出供气量与气动阻力成反比；过量通气致空化穴脉动破坏，临界空化数Ω_cr<0.19Ω；BOW多相流沉降压制下流速>2.5 m/s引起速度剖面不对称，影响通道通量。

3.2 Dynamics of BOW Flow Near the Inlet Separation Plate of The Cavitation Chamber（BOW流经空化室入口分隔板附近动力学）

实验与受力分析表明，通气入口宜设于入口分隔板基部而非顶端以避免射流破坏空化界面；推导气流速限V_air>V_bow√(ρ_bow/ρ_air·(1+Ω))为破坏判据；动态力N=q_m1V₁，入口板弯曲应力远小于碳钢许用值，不影响超声振子安装。

3.3 Limitations on the Depressurization Process of The Water Vapor Removal Channel（水蒸气脱除通道减压过程限制）

导出空化穴内压力P_cav=P₀?Ω·(ρV₀²/2)及抽汽线最小压力P_min=P₀+C_p·(ρV₀²/2)；防反向气突破需满足|C_p|>Ω，故水蒸气抽取段需光滑均匀速度分布，可用喷嘴附件实现。

3.4 Method for Calculating the Main Characteristics of the Working Process（工作过程主要特性计算方法）

建立梯形棱柱状超空化穴体积W=Δ((H+h)/2)L模型，给出通气流量系数Q'=f(Ω, Fr_d)经验式、Fr_W=V/√(g³√W)、Fr_H=k₁(⁶√(Ω²/(1+Ω²)))Fr_W（k₁=1.09）及空化穴最大高度比H_max/H=√[C_x(1+Ω)/(kΩ)]、长高比L/H=1.667/Ω；提出六步迭代算法确定通气量、Ω及入口板高度使空化穴贴合工作腔尺寸。

3.5 Theoretical Assessment of The Depressurization Process of The Cavitation Channel（空化通道减压过程理论评估）

将棱柱空化穴等效为球腔（体积相等），基于Rayleigh-Plesset方程模拟塌缩：Vi=V₀(1+8ν/(V₀R₀))(R₀/R_i)^3/2?8ν/R_i；算例显示等效半径由75 mm缩至10 mm时空化界面速达9 km/s，说明需自动控制系统调节动压与流量并以空化长度为反馈参量防瞬毁。

3.6 Evaluation of BOW Composition Influence on the Separation Process（BOW组分对分离过程影响评估）

引入含气多相流密度ρ_Σ与声速c=√(M_airk)+( (1?M_air)p /(ρ_w√(M_airk)) )，算得含微量气BOW中c≈139 m/s（纯水≈1450 m/s），Ma=V/c=0.21（V=30 m/s），须考虑可压缩性效应。

【实验研究——Influence of Ultrasonic and Artificial Cavern Ventilation on Quality of Separation】

对比三模式：超声+通气产水蒸气量最高（Ω=0.329），因蒸发镜面清晰闭合于出口板且腔内定向气流抑制蒸汽回凝；流量范围1×10^?3–2.2×10^?3m³/s时，联合模式能量效率η_e达80%–83%（单纯调流次之但耗能高，单纯通气居中），容积效率η_v≈10%，水力效率η_h≈7%–22%；最优工况残油≤15 ppm，满足MARPOL 73/78。

【讨论与结论部分翻译】

讨论指出通过人工通气抬高空化数可降低BOW处理流速，脉冲或连续供气策略及尾迹无回流对通气量影响值得进一步研究，空化穴内湍流掺混引起蒸发镜区升压可致空化瞬毁需定量描述。

结论：BOW超空化分离器工作原理为20–70 ℃下多相流经空化场诱发水相蒸发，可通过高速流、超声及人工通气（尤其后两者组合）建立并维持超空化，使净化水质达MARPOL 73/78要求；稳定空化区上限取Ω=2限定入口流速；所建人工空化分离计算法基于Fr–通气量–几何尺寸关系图解表；定义了分项效率因子并确定其最优数值区间，证实超声+人工通气模式最具工程应用价值。