水力机械空蚀及防护1章空化基本概念

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片状空化
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斑状空化
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条纹状空化
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团状空化
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雾状空化
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梢涡空化
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毂涡空化
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1-3 空化的发展过程
就固定空化而言，其发展过程为空化初生、空化的发育以 及回注充填和溃退再生。 空化的初生：是指在绕流体的表面开始形成极小的可见空 泡区而言。当绕流体表面沿水流方向有较陡的负压梯度时， 在绕流体上就会出现一极薄的透明层并在其端部可以看到 一条与水流垂直的极细的分界线，如果压力稍有升高此空 泡即消失，此即空化初生。
振动空化
振动空化出现的部位与波列的形式有关： 1）波列是集中的或聚焦的，则在液体中的焦点处 空化强度最大； 2）波列是平面波或球面波，则空化在振动体的表 面出现。
二、按空化发生的部位分类
通常不按空化的基本形态分类，而按空化发生 的部位分类，分成四类：
翼型空化 间隙空化 空隙空化 局部空化。
1、翼型空化
第一节 空化现象
汽蚀现象包括空化和空蚀两个过程 1、沸腾（液体汽化的一种形式）
第一节 空化现象
2、空化（液体汽化的一种形式） 理想不可压缩流体的伯努利方程：
速度加大 位置升高
压力减小 PV 液体汽化
空化现象（液体汽化的另一形式）
空化：静止的或流动的液体，压力降到相应温度 下的饱和蒸汽压力PV时，发生的汽化现象。 现象： 1）形成蒸汽型（含气型）空泡； 2）随着液体内部压力的变化，空泡生长、压缩和 溃灭的全过程。
二、空化现象要点
➢空化是静止的或流动的液体的一种动态过程。 无论固体或气体，在正常情况下都不会发生 这种情况
➢空化是液体中压力降低的结果，只要使压力 降低并保持在液体性质所决定的临界压力以 下一定时间，空化就可能发生。所以可以通 过控制压力来控制空化的出现及其变化过程
➢空化现象是一种物理变化过程，它涉及空泡 生长、压缩和溃灭的全过程
空化的发展过程
• 空化初生受液体的物理性质、液体流速及 压力分布的影响，同时与过流表面的几何 形状有关。若流速较低、压力梯度较缓， 则空化初生难以用肉眼直接观察到，此时 空化初生具有一定随机性。
空化的发展过程
空化发育：空化初生后，如果系统压力进一步降 低，初生空化区将沿着水流方向加长，沿着水流 的垂直方向加厚。 回注充填：当空泡的长度和厚度发展到一定数值， 总的负压梯度持续到足够长的距离时，紧靠导流 面的液体流速将下降到零，在反向压力的作
——叶片式水力机械普遍存在的一种空化现象 （1）翼型空化与翼型几何形状有关
3、空腔空化
——反击式水轮机所特有的一种漩涡空化。 尤以混流式水轮机最为突出。 出现情况：水轮机在非设计工况下运行。叶片出
口水流不再保持法向出流，vu2≠0，此旋转水流在尾
水管中产生回流。当回流达到转轮区后，在转轮作用 下，在尾水管中心区形成强制涡，在水流不对称流动 下，涡流偏心形成螺旋状涡带。当涡带中心压力低于 汽化压力或含气量足够大时，涡带内形成空腔——空 腔空化（见图3-X）。
固定型空化
固定空泡的长度发展到超过绕流体的尺寸时，称 为超空化； 超空化的标志是固定空泡的尾部跳离绕流体，这 为防止空化剥蚀破坏提供了有利条件； 游移空化和固定空化的共同点，是由于液体内部 压力的降低，在液体中形成空腔。
漩涡型空化
常出现在水轮机、水泵的出口边，螺旋桨的叶梢 以及钝头绕流体的尾部、淹没射流的界面上； 当漩涡中心的绝对压力降低到液体汽化压力以下 时，就会产生漩涡空化； 漩涡运动通常不稳定，因此该空化也不稳定； 空化形态多呈螺旋型；
三、沸腾、空化、空蚀与汽蚀
1-2 水力机械空化的分类
一、按空泡存在形式和产生原因分为： 游移型空化 固定型空化 漩涡型空化 振动空化
游移型空化
由在液体中移动的孤立的瞬态空泡或空泡群组成 的空化现象； 标志是空泡随液体的流动而移动； 空泡随流场压力的变化膨胀、收缩、溃灭； 游移的瞬态空泡，沿固体边壁的低压点初生或在 液体内部移动的漩涡的核心部分出现。
固定型空化
一种相对稳定的空化形式； 空化初生后，形成附着在边界上的空腔； 固定空泡的表面有时可观察到脉动，并有许多小 型的瞬态空泡掠过； 固定空泡的长度与绕流体的形状、表面粗糙度、 流体的物理性质和流场压力、速度的分布有关；
固定型空化
固定空泡并不总是稳定的，当空泡长度发展到一 定程度，流场中的负压力梯度达到一定数值时， 紧靠导流体的液体流速将降为零，接着出现向上 游移动的回注水流，空泡将逐渐脱离固体边界而 随水流漂移，稍后将在同一位置观察到第二个和 第三个固定空泡出现；
漩涡型空化
水轮机尾水管中漩涡空化的现场临摹图：
漩涡型空化
漩涡空化的寿命可能比游移空化长，在漩涡角动 量的维持下，溃灭速率慢，故溃灭压力较小； 漩涡只能在液体内部存在，所以只有漩涡在接触 物体表面溃灭时，才起破坏作用； 漩涡的不稳定在流场中引起的脉动压力将危及机 器的稳定运行。
振动空化
产生在振动并与液体直接接触的机器部件表面； 由于受到物体的往复振动，引起液体中一系列连 续的高强度、高频率的压力脉动，当压力脉动幅 值足够大时，就使液体空化； 振动空化的强度取决于振源的振动强度和振动频 率以及振动体表面的几何形状；
空腔空化造成机组振动和运行的不稳定。
4、局部空化
——只出现在某一很小范围 形成原因：铸造和加工缺陷形成过流件表面
不平整，砂眼、气孔等引起的局部流态突然变化 而造成。
上述四种空化引起的空蚀破坏分别称为：翼型 空蚀、间隙空蚀、空腔空蚀、局部空蚀。
三、按空化发生的外貌特征分类
按外貌特征可分为：
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泡状空化
空化的发展过程
用下，空泡的尾部将会出现一反向水流沿边界向 上游推移，空泡将逐渐与边界分离。 溃退再生：随着过程的继续，主流线向外排挤， 进而使空泡完全脱离边界而随水流漂移，随后将 有第二个新的空泡在原部位形成。 游移空泡也存在初生、发展和溃灭三个阶段。空
空化的发展过程
泡初生后一般要经过几次膨胀、收缩循环才溃灭。 空泡初生后首先随压力的降低而膨胀，进入高压 区后才因外压力的升高而逐渐压缩，压缩到极值 尺寸后，由于内部压力大于外部压力又反弹膨胀。 由于首次反弹后空泡体积约为初始体积的65%， 可见空泡膨胀压缩过程中有能量损耗。