2021-07-04 11:36:56

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液体内局部压力降低时,液体内部或液固交界面上蒸气或气体的空穴(空泡)的形成、发展和溃灭的过程。

基本信息

  • 中文名称

    空化

  • 外文名称

    cavitation

折叠 编辑本段 简介

液体内局部压力降低时,液体内部或液固交界面上蒸气或气体的空穴(空泡)的形成、发展和溃灭的过程。1873年O.雷诺从理论上预言,船桨和水之间的高速相对运动会产生影响船桨性能的真空腔。1897年S.W.巴纳比和C.A.帕森斯在"果敢号"鱼雷艇和几艘蒸汽机船相继发生推进器效率严重下降事件以后,提出了"空化"的概念,并指出在液体和物体内存在高速相对运动的场合就可能出现空化。第二次世界大战后,有关空化研究的国际学术活动相当频繁。国际船模试验池协会(ITTC)、国际水力学研究协会(IAHR)和船舶水动力学协会都把空化研究列为重要议题;此外,还经常举办空化专题讨论会

液体运动中物体受空化冲击后,表面会出现的变形和材料剥蚀现象,又称剥蚀或气蚀。空化过程中,空泡急速产生、扩张和溃灭,在液体中形成激波或高速微射流。金属材料受到冲击后,表面晶体结构被扭曲,出现化学不稳定性,使邻近晶粒具有不同的电势,从而加速电化学腐蚀过程。剥蚀区域材料的机械性能显著恶化,导致空蚀量剧增。在有关工程设计中,须预先进行模型试验,采取措施,尽量避免发生空蚀;也可在会发生空蚀的部位涂上或包上弹性强的抗空蚀材料,或注入气体以吸收空泡溃灭所辐射的能量。是局部空化(局部边界面上出现空泡)的后果,故有时可利用超空化状态(固体整个边界面上的空泡发展延伸到固体尾端的液体中)来避免空化,如设计高转速的超空化螺旋桨和超空化水泵等。

船用螺旋桨、舵、永翼、水中兵器,水泵、水轮机、高速涵洞、闸门槽、液体火箭泵、柴油机气缸套等都会遇到空化问题,造成效率降低,材料剥蚀,并产生振动和噪声。但是,在进行流态显示、水力钻孔和工业清洗作业中,空化并不完全是有害的,而在化学工程、医药工程、空间工程和核工程方面还是有应用价值的。

研究空化的主要实验设备是空化水洞,除此以外还有减压箱、真空拖曳水池、文丘里空化发生器、磁致伸缩仪、转盘空蚀装置、空化射流枪、单气泡空化发生器等。有关空化的基础研究包括空化机理、空蚀,空泡流理论、空化噪声和不定常空化等课题。应用光、声也能使液体发生空泡,有人用这种方法研究气泡的运动。

折叠 编辑本段 空泡流理论

研究水中运动物体在物面上产生空化形成空泡情形下,绕流流场和水动力特性的理论。空泡流有两种类型:①超空泡流,空化充分发展,空泡从物体表面延伸到尾部后面的流动。②局部空泡流,空化区域仅覆盖物体部分表面而不超出物体尾部的流动。为用数学方法对空泡流进行计算,必须建立空泡流模型,如映象模型、回射流模型、开放尾流模型、螺旋涡模型等。在流体机械和水工设计中要尽量避免产生空化,但有时也利用超空化状态来达到高速稳定的运转状态,就需要利用超空泡流理论指导设计工作。

折叠 编辑本段 空化效应

液体中空泡溃灭时产生的空蚀、噪声、振动和发光等现象。空化噪声是一种很强的水动力噪声,在有关工程中通常应尽量避免。空泡溃灭时产生的脉冲作用加大结构物的振动,也会产生有害影响。在空化发光效应中,光强很弱,只能在暗室内才能测到。对这种发光效应的机理尚未弄清。有人把水洞实验室的光线遮掉,用30分钟长曝光时间摄取空化发光的图像,同时记录物体表面的空蚀强度,发现空化发光强度与空蚀强度变化趋势是一致的。因此,有可能利用空化发光效应预报空蚀强度。这种技术正在探讨中。

折叠 编辑本段 空化状态

液体中的固体同液体作相对运动时,固体周围的液体内部或液固交界面上的空化状态按照运动的速度,可分成亚空化、临界空化、局部空化和超空化四种。亚空化状态是在液体内部或液固交界面上没有空泡的状态;临界空化状态是在液固交界面上开始出现空泡的状态;局部空化状态是在固体局部边界面上和邻近液体内部出现空泡的状态;超空化状态是在固体整个边界面上和靠近固体尾端的液体中都出现空泡的状态。

折叠 编辑本段 空化数

描述空化状态的无量纲参数。空化数σ 的表达式为:

式中p∞和V∞分别为液体的来流压力和流速;ρ为液体密度;pV为液体在环境温度下的饱和蒸气压。临界空化状态可以通过减压或增速把无空化状态的空化数降低到起始空化数σi,也可以通过增压或减速把局部空化状态的空化数升高到消灭空化数σd而得到。σi和σd一般是不相等的,这种现象称为空化时滞。在各种空化状态下,即使空化数不变,每个空泡在流场中也都有各自的形成、发展和溃灭的过程。

折叠 编辑本段 空化机理

指空泡形成、发展和溃灭过程的物理本质。影响上述过程的主要因素有:液体本身的特性(表面张力、抗拉强度、温度、总空气含量、自由气体浓度、核谱即空化核的大小和尺度分布、粘性、压缩性、密度、饱和蒸气压等),液体的流体动力特性(湍流度、流场中的压力梯度、压力随时间的变化过程、热传导、气体扩散效应等)和沉浸物体表面的物化特性(表面浸润性、多孔性、粗糙度等)。其中空化核的存在是液体空化的先决条件;压力场的作用是液体空化的外部原因,压力幅值和施加时间决定液体空化状态。工程上常用流场中最低压力系数CFmin来预测起始空化数σi,空化起始的经典相似律就是σi=-CFmin。但是,偏离经典相似律的情况是常见的,而且在相同的空化数值下,原型与模型的空化状态也往往不同,这就是所谓的空化的尺度效应。

折叠 编辑本段 空化类型

空化有各种不同的分类法。按动力特性可分为:游移型空化、固定型空化、旋涡型空化和振动型空化;按外貌特征可分为:泡状空化、片状空化、斑状空化、条纹状空化、团状空化、雾状空化、梢涡空化和毂涡空化等(见彩图);按发展阶段可分为:临界空化、局部空化和超空化等。

折叠 编辑本段 参考文献

1.R.T.柯乃普等著,水利水电科学研究院译:《空化与空蚀》,水利出版社,北京,1981。(R.T.Knapp,J.W. Daily and F.G.Hammitt,Cavitation,McGraw-Hill,New York,1970)

2.F.G.Hammitt,Cavitation and Mvliiphase Flow Phenomena,McGraw-Hill,New York,1980.

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水力学、河流动力学、海岸动力学

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