水力机械空蚀及防护1章空化基本概念
空化和空蚀的原理及应用
空化和空蚀的原理及应用1. 空化的原理空化是指在流体力学中，流动速度超过临界速度时，液体或气体中的压力下降到饱和蒸汽压以下，形成气蚀现象。
空化通常在高速液体流动或液体泵中特别容易发生。
空化的原理主要是因为流动速度增加，密度降低，从而导致流体的压力下降。
当压力下降至饱和蒸汽压以下，液体中的液体蒸发成气体，形成气蚀。
空化还会导致液体流体的流速增加，从而加剧空化现象。
2. 空蚀的原理空蚀是指在机械装置中，由于液体中的气泡或气体在压力变化下沉积或爆裂，导致液体中出现空隙或气泡的现象。
空蚀通常在液压系统、液体泵或涡轮机等设备中产生。
空蚀的原理主要是液体中的气泡或气体在压力变化下，由于气泡或气体的容积变化引发的空隙或气泡。
当压力变化引起气泡或气体的容积变化时，液体中的空隙或气泡会导致流体流动的中断或减弱，从而导致空蚀现象。
3. 空化和空蚀的应用空化和空蚀现象在工程领域中有着重要的应用。
以下是一些常见的应用场景：3.1 液体泵设计和维护在液体泵的设计和维护中，空化和空蚀是需要考虑的关键因素。
液体泵在高速运行时容易发生空化现象，导致泵的效率下降甚至损坏。
因此，在液体泵的设计和维护中，需要采取措施来避免空化和空蚀的发生，如增加泵的压力容降、增加泵的进口压力或降低泵的运行速度等。
3.2 水力发电站设计和优化在水力发电站的设计和优化中，空化和空蚀的控制是非常重要的。
由于水力发电站的高速水流，空化和空蚀往往会导致设备的损坏和效率下降。
因此，在水力发电站的设计和优化过程中，需要对流体的流速和压力进行适当控制，以避免空化和空蚀的发生。
此外，还需要合理选择材料，以提高设备的抗空蚀能力。
3.3 液压系统的设计和维护在液压系统中，空化和空蚀往往会导致系统压力下降，从而降低液压设备的工作效果。
因此，在液压系统的设计和维护中，需要合理选择液压材料，并采取措施来避免空化和空蚀的发生。
常见的方法包括增加液压系统的进口压力、优化液压系统的管道设计、定期维护和检查液压设备等。
水轮机的空化和空蚀
空化发生在流道中水流局部压力下降到临界压力（一般接近汽化压
力）时，水中气核发展成为气泡，从而使液相流体的连续性遭到破坏， 变为含气的二相流（若同时含气和含砂，则为多相流）。气泡中主要充 满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。当这些气泡进入压力较低的 区域时，就发育成长为较大的气泡，当气泡随水流运动到压力较高区域， 气泡将迅速凝缩并溃灭。因此，空化包括了气泡的积聚、流动、分裂到 溃灭的整个过程。空化过程可以发生在液体内部，也可以发生在固体边 界上。 空蚀是指由于空泡的溃灭，引起过流表面的材料损坏。在空泡溃灭 过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。空蚀是空化的直 接后果，空蚀只发生在固体边界上。
空化、空蚀导致的不良后果
（1）损坏水轮机过流部件表面。在水轮机运行过程中，随着时间 的推移，在转轮和某些过流部件的局部表面上，开始时表面金属失去 光泽而变成灰暗色，接着形成即麻点状，进一步发展形成海绵状（即 蜂窝状），此时金属表面已受到严重破坏，再进一步发展就会产生金 属局部脱落，甚至穿孔。 （2）当空化、空蚀发展到破坏正常水流流动的程度时，能量损失 会急剧增加，效率和出力大幅度下降。 （3）水轮机在空化、空蚀状态下运行，特别是混流式水轮机，其 过流部件易发生低频率大振幅的压力脉动，甚至导致整个机组和水电 厂厂房危险的振动及噪声。
最后整理后得
Hs pa pv H
式中
pa——水轮机安装处的大气压力； pv ——该处相应于平均水温下的汽化压力； ——相应工况点的水轮机空化系数，由综合特性曲线查得；
H ——对应的水轮机工作水头。
水轮机安装高程的确定 在进行实际计算时，考虑到：
pa 10.33mH 2O ； ⑴海平面的平均大气压力 r
水力机械现代设计方法第四章：叶片式流体机械的空化与空蚀
HSJ
第四章内容总结
比例效应 基准面 粘性 空化核子 拉应力 时间 空化相似律 NPSHr=K·H σr=const S(C)=const
空化与空蚀机理
空化现象 溃灭过程 空化核子 临界压力 空化数 空化的分类 对外特性的影响
水力机械 空化参数 NPSHr
σ
S(c) HV NPSHa
σp
NPSHcr
逐步利用0、S、L、K间的伯努利方程可得
2 2 2 2 2 2 pS cS pK cL wK − wL uK − uL = + ZS + − ZK − ( ± ∆H S − L ) − m ∆H L − K + ρg ρg 2g 2g 2g 2g
用HS代替ZK并令:
2 2 cL cL ± ∆H S − L = λ1 2g 2g
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NPSH（Net Positive Suction Head） cavitation margin
∆ha的计算
p0 pVa ∆ha = − HS − m ∆H 0− S ρg ρg
对水轮机
∆ha = H a − H Va − H S
空化的发生过程
∆ha> ∆hr ∆ha= ∆hr ∆ha< ∆hr
关系重大
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吸出高基准与安装基准
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泵的吸入高基准面与安装高程基准面相同
H SZ = H 0 − H Va − ∆H 0− S − (∆hr + K )
HSJ
用允许吸入真空度计算
H SZ
2 cS = [ HV ] − − ∆H 0 − S 2g
非标准状况下允许吸入真空度的换算
′ ′ ′ [ H V ] = [ H V ] − 10.33 + H a − H Va + 0.24
水力机械的空化与空蚀
即
p p a v [ H ] [ H ] 10 . 33 0 . 24 s
pv
4 水力机械的空化与空蚀
进水池面与泵进口数 水力机械的汽蚀系数
hr H
2 c s H h g w 2 g 2 p p c p p s s v e v h H h a g w 2 g
水力机械的空化 与空蚀
4 水力机械的空化与空蚀
§4-1 汽蚀现象
• 某温度 T 下→临界压力（ Pv 一般） →空泡→向高压区移动→溃灭凝结 →破坏（疲劳破坏，剥蚀、电化学） →噪音，性能下降。
4 水力机械的空化与空蚀
§4-1 汽蚀现象
• 某温度 T 下→临界压力（ Pv 一般） →空泡→向高压区移动→溃灭凝结 →破坏（疲劳破坏，剥蚀、电化学） →噪音，性能下降。
§4-2 汽蚀性能参数
4 水力机械的空化与空蚀
§4-2 汽蚀性能参数
① S-0列能量方程
2 2 p c p s s 0 c 0 Z Z h s 0 s 0 2 g 2 g
② 0-k列相对运动伯努利方程
2 2 2 2 p p 0 W 0 u 0 k w k u k Z Z h 0 k 0 k 2 g2 g 2 g2 g
4 水力机械的空化与空蚀
§4-2 汽蚀性能参数
2 2 2 2 2 2 2 w w c u u w w c 2 k 0 0 0 k 0 k 0 h Z Z h [( ) 1 ] ( 1 ) r k s s k 2 g2 g2 g 2 g w 2 g 0
水力机械空化与空蚀
§ 1-2 汽蚀性能参数
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五、允许吸上真空高[Hs]′ 1、定义：使之不发生气蚀，泵进口（水轮机出口）所允许的最大真空度 2、表达式
Hs pa
要不发生汽蚀 ha [h] ,当 ha [h]时,
c s2 p [ H s ] [h] v 2g pa
hr 与ha 3、 h 的关系 h r a
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a. 与装置无关， 与装置有关 hr b. 越小，抗汽蚀性能越好
四、允许汽蚀余量 保证不发生汽蚀的最低汽蚀余量
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[h] hcr K
[h] hr K
实际中常用 hcr 代替 hr ： K—安全余量
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3）电化作用
气泡在高温高压作用下产生放电现象，这就是电化作用。因为金 属表面被高压液流反复冲击的部位会产生很大热量，温度升高，形 成热端，将会与邻近点的非冲击部位(冷端) 构成一个热电耦，在热 电耦的回路中产生电势，使金属内部有电流通过，也产生电化腐蚀( 电解作用)，致金属表面变暗变毛，加速机械破坏作用。
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2 2 u0 uk Zk Zs 0 0 2g 2 2 2 w0 wk 2 w0 c0 [( ) 1] 2 hs k 2 g w0 2g 2g 2 2 c0 c0 (1 ) 1 2g 2g 2 2 c0 w0 即： hr 1 2 2g 2g
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§1-1 空化、空蚀(汽蚀)现象
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通过水力机械流道中的液流，如果某个地方的流速增高，必然会 引起此处的局部压力下降，当压力降低到当时液流下的临界压力时 ，这个低压区的液流就会开始汽化——出现空泡（汽泡），空泡随 液流运动到较高压力区，由于P↑，汽泡中的蒸气要重新凝结成水， 汽泡溃灭。因为体积突然收缩，汽泡原先占有的空间形成真空，于 是周围的高压液流质点高速冲近来，将对过流表面产生非常大的瞬 间脉冲压力（水锤压力）。同时，在压力增高时，原来从液流中分 解出来的小汽泡，在水锤压力的作用下被急剧压缩，直到汽泡的弹 性力大雨水锤压力时，汽泡将停止压缩而瞬间膨胀，所以对过流表 面又形成另一种水锤压力。
空化与空蚀（精品PDF）
水体中所含的气核可分为表面气核与流动气核两种。流 动气核随水流一起运动。其尺寸一般很小，通常其直径大约 为10-5～10-3cm，人的肉眼一般看不见。流动气核在水中的分 布也不均匀，常用分布曲线(核谱)来表示其分布特性。尺寸 较大的气核在浮力的作用下将浮向水面而消失，而尺寸较小 的气核内部则承受很大的压强，以至于其内的气体因受压而 被周围的水体所吸收。
当外压强降低时，空泡的半径只有缓慢的增加，而当达 到M点后，在压强不再降低的情况下，空泡半径反而急速地膨 胀，这就是空化的初生。因此。M点可认为是发生空化的临界 点。将临界点相应的压强及空泡半径称为临界压强pe。及临 界空泡半径Re。
3、球形空泡的稳定性 如果扰动幅值随时间是衰减的，则空泡运动是稳定的， 与此相反，如果扰动幅值随时间增长，则空泡运动是不稳定 的。 从定性上来看，表面张力并不影响空泡的稳定性。由此 可以认为，在球形空泡的压缩过程中，只有当空泡尺度足够 大时其运动才是稳定的；而当空泡尺度被压缩至足够小后， 其扰动幅值将快速增长，从而导致空泡运动失稳。
当游移型空泡馈灭时，固体壁面上会受到极大的冲击压 强。据报道，由计算确定的球形空泡溃灭时，在边壁上造成的 压强可高达12000多个工程大气压，而实测记录为7750个工程 大气压。由于所研究的问题及情况的差异，不同作者计算出的 空泡馈灭压强有所不同。
用高速摄影研究近壁处单个空泡馈灭时空泡变形的资 料表明，微射流的速度为130～170m／s。数值模拟计算表 明，游移型空泡溃灭时微射流的冲击压力可高达691000kN ／m2；微射流的直径约为2～3μm，空蚀坑直径约为2～20 μm ；在lcm2的面积上，边壁受到的射流冲击频率约为100 ～1000Hz。冲击脉冲的作用时间每次只有几微秒。这样高 的射流速度所产生的冲击力足以使材料发生空蚀破坏。
水轮机的空化与空蚀
水轮机的空化与空蚀空化与空蚀现象在水轮机中非常常见，会造成水轮机的叶片磨蚀损坏，导致水轮机的性能与经济效益下降，改善空化与空蚀现象需要制造工艺水平的提升与设计的改善，超空化水轮机的空化、空蚀大大降低，但是它的实用化仍旧有很长的路要走。
标签：空化；空蚀；原理；种类；危害；降低空蚀的措施；超空化水轮机中存在的空化、空蚀现象会对水轮机的性能产生不利的影响，因此在设计运行时要尽可能地避免，并将空化、空蚀对水轮机的性能的不利影响降到最低。
空化现象指的是水轮机流道中局部压力降至临界压力时，水中气核慢慢成长为气泡，气泡将液体中的蒸气和溶液中析出的气体包裹起来。
当进入压力较低的区域时，气泡则会逐渐长大，当气泡随水流运动到压力较高的区域时，在高压的作用下会迅速凝缩溃灭。
因此，空化是指气泡从集聚、流动、分裂到溃灭的这一过程。
空化现象不仅发生在液体内部，也会出现在固体边界上。
空蚀指的是由于空泡的溃灭所引发的过流表面金属材料的损坏。
空泡在溃灭的过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。
空化、空蚀会导致水轮机的性能下降，水轮机的过流部件表面会遭到损坏，甚至会使金属材料的局部发生脱落。
发生空蚀的主要原因是空泡溃灭所产生的机械作用，包括冲击波模式和射流模式两种。
通过对空蚀现象的观察，我们会发现空蚀在边界上分布并不均匀，而是集中在某些位置。
当第一个蚀坑形成后，在一定的条件下，它的发展速度要比其它的地方快，蚀坑越来越大、越来越深，最后将导致材料破碎而被水冲走。
除此之外，也可以用热力学和电化作用来解释空蚀现象。
空蚀产生的原因十分复杂，它在多重作用下发生，并且与化学腐蚀、泥沙磨损等相互促进，使得材料被进一步破坏。
水轮机按空化与空蚀发生的部位不同可以分为翼型空蚀、间隙空蚀、局部空蚀和空腔空蚀。
翼型空蚀是反击式水轮机的主要空蚀类型，在叶片的不同部位都有可能会出现空蚀区，转轮型号及运行工况都会影响到空蚀区的发展。
间隙空蚀指的是当水流通过狭小通道或间隙时局部流速会升高，导致压力下降而产生空蚀，间隙空蚀在转浆式水轮机中最为突出，发生区域多在转轮叶片外缘与转轮室之间以及叶片根部与转轮体之间的间隙附近。
浅谈水轮机的空化和空蚀
技术报告——浅谈水轮机的空化和空蚀水轮机在运行中存在四大问题：动能指标（流量、出力、转速）、效率、空化性能、稳定性。
在上述问题中，空化、空蚀被喻为水轮机的“癌症”。
所以在水电厂水轮机运行生产过程中空化、空蚀是一个必须注意和避免的问题，我们必须了解其物理性质，然后找到避免和处理的方法。
空化是一种液体现象，固体或气体都不会发生空化。
当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育成空穴，这种现象称为空化。
沸腾也是一种汽化，但沸腾是液体在衡定压力下加热，液体温度高于某一温度时发生的汽化，与空化不同之处就在于沸腾主要是热能交换的过程，而空化可近似看作是一个冷过程。
空化包括了空穴的出生、发育和溃灭。
当液体的压力降到某一临界值时，液体中便会产生空穴，这些空穴进入压力较低区域时，就开始发育成较大的气泡，气泡被流体带到高于压力临界值的区域时就会溃灭。
在空化区，空泡的不断产生又不断溃灭过程中，将产生高频高压的微观水击，由于高频高压的水击直接作用于过流表面，形成机械破坏，长期反复作用形成疲劳破坏。
同时空泡在溃灭时产生高温（可达到300—500摄氏度），与周围介质形成温差，产生温差电势，造成电化学腐蚀，而高温作用下产生氧，并增加其他有害气体的活性，产生腐蚀。
由于以上几种因素的联合作用，加快了过流表面的腐蚀破坏，这就是空蚀。
空蚀是空化的直接结果，空蚀只发生在固体表面。
由以上分析我们知道空化、空蚀的根本原因是水轮机自身产生的低压造成的。
而液体在混流式机组过流管道中低压的形成主要有：1)、翼型绕流：当水流绕流水轮机翼型叶片时，叶片背面的压力往往为负压，当叶片背面压力降低到环境汽化压力以下时，将会出现空化区空蚀水轮机叶片，对水轮机叶片造成破坏，即翼型空蚀。
2）、狭小空隙：当水流流过混流式机组导叶上下断面、立面密封、迷宫环等狭小通道或间隙时，将会导致局部流速升高，压力降低，当压力降低到环境汽化压力以下时，同样会产生空化区，空蚀导叶、叶片等，即间隙空蚀。
水轮机的空化与空蚀
形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和压力的 脉动，在尾水管进口处产生空蚀破坏，还可能造成尾水管 振动。
❖ 局部空蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的空蚀。
翼形空蚀 空腔空蚀
间隙空蚀 局部空蚀
尾水管内的1.4真.2 V空ort涡ex O带bserved in Francis Runner
任一水轮机在既定工况下，б也是定值。 ❖ б值影响因素复杂，理论难以确定，广泛使用的
方法是进行水轮机模型试验得出бm,并认为б=бm。
二、水轮机的吸出高度
为了防止空蚀，必须限制k点的压力，使pk≥pv
pk
pa
Hs
(Wk2 W22 2g
w
V22 2g
)paHs来自H保证水轮机内不发生汽蚀的条件： pk≥ pv
三、水轮机的安装高程
1. 立轴HL：导叶中心平面高程
Za=▽w+Hs+b0/2 2. 立轴ZL：导叶中心平面高程
Za=▽w+Hs+xD1 (x=0.38~0.48) 3. 卧轴HL和GL：轴中心高程
Za=▽w+Hs-D1/2 注： ▽w ：水电站设计尾水位, 选用水电站最低尾水
位（1~2台机组时取一台机组50%额定流量， 3~4台机组时取一台机组额定流量）
1．
复习题：
1 什么是空化与空蚀？ 2． 2 空蚀的机理是什么？ 3． 3 水轮机中常发生哪些空化？ 4． 4 什么是水轮机的空化系数？水轮机空化系数有哪些特性？ 5． 5 什么是电站的空化系数？电站的空化系数与水轮机空化系数有什么关系？为什么 ？ 6． 6 通过什么方法如何确定水轮机的空化系数？ 7． 7 如何确定水轮机的安装高程？ 8． 8 从大的方面讲，防止水轮机空蚀常采用哪些措施？ 9． 9 采用哪些措施防止尾水管中的空腔空化和水力振动？
水利机械空化
第七章水力机械的空蚀破坏§7-1 水力机械的空化现象简介一、水力机械中的空化形态水力机械中可能存在的空化：游移空化，固定空化，漩涡空化。
导流面来流方向突然发生变化，易出现固定型空化；导流面来流方向逐渐变化，且冲角较小则可能出现游移空化；叶轮出口边（转轮进口边）、叶轮与固定件之间的间隙处，由于压力的急剧变化，常出现漩涡空化。
偏离最优工况的水轮机尾水管中常出现漩涡空化。
在固定空化出现的同时，在固定空泡的表面也伴随有游移空泡产生。
二、水力机械中空化现象的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——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图7-1：反击式水轮机叶片空化一般发生在叶片的背面：Ⅰ区和Ⅲ区；Δβ<0时，空化将发生在Ⅱ区。
图7-1 翼型空化部位示意图翼型空化与翼型几何形状的关系：图7-2：对称翼型压力分布压力分布情况：A 、B 两个低压区；空化：可能在四个部位出现空化区。
当系统p 下降时，首先在A 点发生空化；p 进一步降低，空泡长度延伸；有可能B 点尚未出现空化前，A 点空泡下游端已到达B 点。
若p 再进一步下降，空泡长度会有较大的增长。
图7-2 对称翼型的压力分布翼型特征：头部为半圆形；尾部的断面逐渐变尖图7-3 尖拱二维柱体的压力分布图7-3：将图7-2翼型头部稍加修改：用一个二倍柱径的尖拱代替圆头，见图7-3。
低压点仍为二个（A、B点），但A点已向下游移动，负压绝对值减小。
当p下降到一定值时，空泡将包围整个翼型，只在头部有限区域存在正压区。
结论：翼型空化可以靠改变翼型的几何形状加以改变。
（2）翼型空化与运行工况有关以水泵为例，泵工况发生变化时，进口相对速度和大小发生变化。
见图7-4设在叶片进口处为法向入流，β—叶片进口安放角；1β′：小流量时叶片进口相对水流角；1β′′：大流量时叶片进口相对水流角。
水力机械空蚀及防护1章空化基本概念课件
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：
➢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 ➢毂涡空化
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；
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。
空化核
能稳定存在于液体中的气体，只有那些隐藏在容 器壁上微观裂隙中的微观气体。 设有一非亲水性容器壁，其裂缝夹角为2a，在裂 缝中形成一液气分界面，如图a所示。
空化核
气体—蒸汽空泡的稳定分析图：
4 水力机械的空化与空蚀
4 水力机械的空化与空蚀§4-1 汽蚀现象在某个温度下，压力低到某一值时，液体发生汽化，此压力称为该温度下的汽化压力，一般用p v 。
叶栅空化数 21121w p p k v ρ-= 1w ——相对流速在某个温度下，压力低到某一值时，液体发生汽化，此压力称为该温度下的汽化压力，一般用p v 表示。
液体流动过程中，如果某一部位的压力低于某一临界压力（一般情况，该临界压力与水的汽化压力接近）时，溶解于水的气体逸出，形成空泡（空穴），当空泡随水流运动到压力较高的地方时，空泡迅速凝结而溃灭。
某温度T 下→临界压力（Pv 一般）→空泡→向高压区移动→溃灭凝结→破坏（疲劳破坏，剥蚀、电化学）→噪音，性能下降。
§4-2 汽蚀性能参数 空化数221∞∞-=w p p K v ρ 一、汽蚀余量NPSH在泵进口（尾水管出口）所具有的高出汽化压力的富裕（余）能头，其大小以换算到基准面的水柱高表示二、必须汽蚀余量r h ∆叶轮内压力最低点的压力等于汽化压力时，机器的汽蚀余量C 0——叶片进口前（水轮机出口）液流的绝对速度W 0——相对速度 21,λλ——流速分布不均系数。
由试验得出，是泵的固有参数① S-0列能量方程：② 0-k 列相对运动伯努利方程：③=①+②-γvp 得：即：γγpp p h vk a ∆+-=∆当初生空化（出现第一个空化空泡）时r a h h ∆=∆ 实际中一般认为：r cr h p h ∆=∆≈∆γ，常取r cr h h ∆=∆C 、要求a r h h ∆<∆临界汽蚀余量cr h ∆：效率下降1%~3%时所对应的a h ∆三、有效汽蚀余量（装置汽蚀余量）a h ∆1、定义它是装置提供给泵（水轮机）的汽蚀余量2、表达式：列进水池和水泵进口（水轮机出口）3、a r h h ∆∆与的关系a. r h ∆与装置无关，a h ∆与装置有关b. r h ∆越小，抗汽蚀性能越好四、允许汽蚀余量保证不发生汽蚀的最低汽蚀余量实际中常用cr h ∆代替r h ∆：K h h cr +∆=∆][K —安全余量五、允许吸上真空高[H s ]′ 1、定义：使之不发生气蚀，泵进口（水轮机出口）所允许的最大真空度2、表达式而进口断面的真空度为代入上式要不发生汽蚀 ][h h a ∆≥∆当][h h a ∆=∆时sH '有最大值 当不是标准状态时必须修正六、汽蚀系数水力机械的汽蚀系数σ装置空化系数)a hom T (p σ七、安装高度的确定g H 压力最低点到进水池面（水轮机下游水面）1）][h ∆已知由有效汽蚀余量公式要求水泵不发生汽蚀对于水轮机：H K h σσ=∆][，安全系数2.2~05.1=σK ，比转速愈高σK 的值越大，或者取H h )(][σσ∆+=∆，0≈w h ，90033.10∇-=γe p ，电站水温5~25℃，3299.0~0889.0='γv p可以简化为2）[H s ]已知列进水池面与泵进口断面要求：]['≤'s sH H 八、汽蚀比转速汽蚀余量或吸上（吸出）真空度（高），只能说明某台机器汽蚀性能的好坏，而不能比较不同机器的汽蚀性能，为此引进包括设计参数在内的综合汽蚀性能相似特征参数——汽蚀比转速C 。
水利机械内空化、空泡和空腔的深入分析-水利水电论文-水利论文
水利机械内空化、空泡和空腔的深入分析-水利水电论文-水利论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——引言水力机械的空化、空蚀和稳定运行问题历来是水力机械行业共同关注的基本问题。
经过近百年来的研究探索，特别是不锈钢等抗空蚀材料的大量采用，空蚀对水力机械的危害程度已有所减轻，水力因素导致的水力机械运行不稳定也得到一定扼制。
但是，当空化发生后，水中掺杂了空化气泡（以下简称空泡）或空化空腔（以下简称空腔），水流变成了气液两相流，使原来的单相流特性产生了很大的变化。
过去有许多概念和认识是建立在单相流基础上的，关于空化和压力脉动、压力脉动和空蚀等之间的关系及空泡和空腔在其中的作用等不是很清楚，甚至有部分错误的认识和理解，给深入研究和解决水力稳定性等问题带来一定影响。
本文拟从对空化、空泡和空腔的深入分析入手，解析它们对两相流条件下稳定性等带来的危害，以进一步理清它们之间的相互关系。
1 空化、空泡和空腔一般的气泡内部压力大多高于或接近于大气压，通常在水力机械模型试验时看到的游离气泡和部分附着在流道表面的气泡多属于该类气泡。
空泡则是指水体空化后产生的气泡，且空泡内的压力通常都低于空化压力。
空泡属于气泡，但不同于一般气泡，二者最大、最本质的区别在于内部压力是否低于空化压力。
当然，空泡内的主要成分是水蒸汽，氮气、氧气等空气中主要成份较少；而水中的游离气泡则不同，其主要成分是空气。
高压气泡在水中的存在方式由其压力属性决定，只能存在于其适合的压力区。
当其附着于叶片等流道表面时，可能随压力变化而改变尺寸大小，反而不易被裹夹进水流；只有当压力降低到负压甚至汽化压力之后，这些气泡才更容易被吸走，这也是空化试验前先抽真空并保持一段时间的原因之一。
那些游离于水中的高压气泡也不例外，其只能存在于高压区，即使偶尔被水流裹夹进低压区，一旦失去裹夹力的限制，其自然会漂移至高压区，这也是通常称其为游离气泡的原因。
许多水电站试图用补气的方式消除压力脉动没有成功，大多是因为补气位置选择不当，补气点压力高，补入的高压空气和游离气泡一样向高压区漂移，大部分空气没有进入低压空腔，因此起不到降低压力脉动作用。
流体机械(1)
初生阶段对性能没有明显影响 发展到一定阶段：水轮机--出力、效率突然下降； 水泵—扬程、效率突然下降，甚至断流
2、引起振动和噪声
水力共振 噪声
3、导致过流部件的空蚀破坏
大大缩短大修周期和使用寿命。 严重时发生叶片断裂等重大事故。 空化与空蚀是提高水力机械能量指标最主要的障碍。
§4.1 空化与空蚀机理
5）压力进一步下降，气 泡在随流过程中不断 长大。（发展）
6）进入高压区时，气泡不 断缩小直到溃灭。 7）新的较小的空泡再生（回弹）
初生—发展—溃灭的过程是一个复杂的动力学过程。 与气泡本身参数、液体粘性、表面张力、可压缩性、惯性、 气体的扩散、溶解、热传导等有关。
§4.1 空化与空蚀机理
§4.1 空化与空蚀机理
三、流体机械中空蚀 破坏的类型
（1）翼型空蚀 水轮机和叶片泵最主要的 空蚀破坏形式 （水轮机常见空蚀区域： 轴流式—叶片背面靠近轮 缘和出口边；混流式—叶 片背面（靠近出口边、下 环和上冠进口）和与空蚀机理
三、流体机械中空蚀 破坏的类型
§4.1 空化与空蚀机理
二、空蚀机理
2、空蚀机理 Note: 到目前为止，空蚀机理还远远没有被认识清楚。 原因是它的微观性和高速性。 流体机械中，值得注意的还有： （1）空蚀与泥沙磨损的联合作用 磨粒本身对固体表面的磨削 磨粒增加了液体中的气核，降低了液体的抗拉强度，增加了气 核，促进了空蚀。 空化的出现，增加了水流的湍流程度，加速了泥沙磨损。 （2）水质的的影响 主要是含气量。通常水中含气量为5%，但有的地区可能更高。
§4.1 空化与空蚀机理
§4.1 空化与空蚀机理
二、空蚀机理
空化与空蚀的原理及应用
空化与空蚀的原理及应用空化与空蚀的原理及应用【摘要】随着现代水利机向大型化，高速化发展，空化空蚀越来越引起人们的关注，我们在研究如何规避空化空蚀危害的同时，还应看到空化空蚀有利的一面，空化现在已经在清洗，破碎、切割，水处理，湖泊净化等方面发挥着巨大的作用。
本文主要介绍了空化的机理以及空化在生产生活中的应用。
0.前言1.空化与空蚀是自然界中客观存在的一种物理现象，广泛存在于水利机械中。
由于压力的变化而导致的液流内空泡的产生、发展和溃灭过程以及由此产生的一系列物理和化学变化被称之为空化，当空化发生在固体表面，破坏固体材料就形成空蚀。
1.空化产生的机理1.1空化初生空化初生是空化在局部压力降至临近液体饱和蒸汽压力的瞬间完成的。
纯水能承受张力，但实际自然界中的水不能承受拉力，如果水能承受1Mpa拉应力，根本就不会发生空化。
这种差别可以用“空化核”理论解释，液体中存在着破坏液体均匀性的杂质，改变了液体的结构，削弱了液体的抗拉强度，从而为空化的产生提供了条件。
1.2空泡的发育与溃灭随着液体压力的降低，液体中汽核开始形成汽泡，当压力继续降低时，汽泡在随着流动的过程中不断长大，当进入压力升高的区域时，汽泡则不断缩小而溃灭，这是一个复杂的动态过程。
1.3空蚀空泡的溃灭过程如果发生在固体表面，从小空泡溃灭中心辐射出冲击压力波会使材料受到破坏，这种由空化作用引起材料的破坏被称为空蚀。
当然，关于空蚀的解释还有其他理论，如热力学作用，电化学作用等等。
2.空化空蚀在生产、生活中的应用2.1在清洗方面的应用对于清洗我们会有很多方法，有化学清洗，超声波清洗以及新兴起的高压水射流清洗等。
空化清洗主要是利用空化射流来实现的，即通过设计特定的喷嘴来诱发空化的产生，从而利用空泡破灭时产生的冲击力来去除固体表面的污垢。
虽然空化射流和高压水射流在清洗方面均有可靠、节能、安全、环保、高效等优点，但其作用机理完全和高压水射流不同。
高压水射流是利用高速水流的冲击力来进行清洗的，然而空化射流则依靠流束中大量的空化汽泡在固体表面溃灭而产生密集射流冲击作用来达到清洗目的的。
空化和空蚀的原理及应用
空化和空蚀的原理及应用空化和空蚀是流体力学中的两个概念，常常在液体或气体通过管道、泵或涡轮机等设备时发生。
一、空化原理：空化是指在液体中存在气体被蒸汽化的过程。
当液体通过管道或设备时，由于压力下降或流速增加等原因，液体中的气体可以从液相迅速转变为气相形成泡沫，这个过程就称为空化。
空化的原理与介质的压力、速度和温度等因素有关。
当液体内部气体比溶解度大时，液体中的气体就有可能形成气泡，在下游区域快速膨胀形成空蚀。
二、空蚀原理：空蚀是指在管道、泵或涡轮机等设备内部，由于液体的流速增大或压力降低，引起液体中的气体迅速膨胀形成气泡，导致设备内部出现空洞并引起流体的不稳定现象。
空蚀会降低设备的效率，甚至对设备造成损害。
空蚀的原理主要与两相流动的特性有关。
当液体中的气体快速膨胀形成气泡时，液体的流动状态会变得不稳定，产生流动阻力增加、振动、噪音等现象。
空蚀会导致设备的性能下降，甚至引起机械零件的磨损和损坏。
三、应用：1. 降低震荡和噪音：通过合理设计和运行，防止空化和空蚀现象的出现，可以减少液体流动时的震荡和噪音。
2. 提高设备效率：空化和空蚀都会对设备的流体力学性能产生负面影响，通过优化设备结构和流体参数可以减少或避免空化和空蚀现象的发生，提高设备的工作效率。
3. 管道和泵的设计：在液体和气体的混合介质中，理解空化和空蚀原理是设计管道和泵的重要依据。
根据介质的特性和要求，合理选择管道和泵的参数，可以降低空化和空蚀的发生。
4. 引擎研发：在内燃机的研发中，空化和空蚀经常出现在喷油嘴和燃烧室等部位，会引起效率下降和零部件磨损，因此深入研究空化和空蚀现象对提高引擎性能至关重要。
5. 电子设备的制冷：在电子设备中，空化和空蚀对制冷系统的稳定性和效率有着重要的影响。
了解空化和空蚀的原理可以帮助优化制冷系统的设计和运行，提高设备的工作效率。
总之，空化和空蚀是流体力学中重要的机理现象，它们在液体或气体的运动过程中会对设备性能和系统稳定性产生负面影响。
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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
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；
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：
➢
泡状空化
➢
片状空化
➢
ห้องสมุดไป่ตู้
斑状空化
➢
条纹状空化
➢
团状空化
➢
雾状空化
➢
梢涡空化
➢
毂涡空化
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。
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。
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。
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
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
——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）。
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。