空化空蚀机理

片状空化和云状空化
典型超空化照片 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院
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§4.1 空化与空蚀机理
（3）旋涡空化：由液流受到强烈的扰动而产生的旋涡形成的
。多发生在水力机械的进出口边和绕流物体的尾部。漩涡空化可 能是固定的，也可能是游移的，尾流中的漩涡空化是不稳定的和 多变的。其形态多为螺旋形。
中可能出现的一种特有的现象，而在固体和空气中一般不会发生 空化和空蚀。
空化与空蚀也是反映叶片式流体机械，诸如水轮机、水泵特
性的一个重要指标，是设计、试验、运行中必须考虑的问题，并 且一直是国内外水力机械领域中的重要研究课题。
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实际生活中，普通水根本不能承受拉应力。温度t=20℃的水， 当压力为0.24mH2O时(即汽化压力pv=0.24mH2O),水的连续 性被破坏而汽化。
液体中存在杂质是导致不能承受拉应力的根本原因。液体中除了 固体表面和液体中不可避免的含有一定数量的悬浮的固体粒子外, 主要杂质是未溶解的气体---称为气核（空化核）。
水轮机尾水管中旋涡空化的现场临摹图
螺旋桨上旋涡空化的高速摄像照片
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旋涡空化的寿命可能游移空 化长，在旋涡角动量的维持下， 溃灭速率慢，故溃灭压力较小；
旋涡只能在液体内部存在，所 以只有旋涡在接触物体表面溃灭 时，才起破坏作用；
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§4.1 空化与空蚀机理
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§4.1 空化与空蚀机理
2. 化学作用理论
气泡使金属材料表面局部出现高温是发生化学作用的主要原 因。该高温可能是气泡在高压区被压缩后，汽相高速凝结，从而 放出大量的热，或者是由于高速射流撞击过流部件表面而释放出 的热量。
性的，都有遭受过空蚀破坏的实例。
Note: 空蚀是空化的直接后果；
空化可发生在液体内部或者固体边界上；
空蚀只能发生在固体边界上。
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§4.1 空化与空蚀机理 二、空化机理
1、空化的初生
实验表明：纯净的液体能够承受拉应力。目前所测到纯水的最大 抗拉强度为26-27MPa，利用分子动力学理论计算则更大。
3、空化的溃灭
气泡随着水流进入压力高于汽化压力的区域时，一方面由
于气泡外动水压力的增大，另一方面由于汽泡内水蒸汽迅速凝 结使压力变得很低，从而使气泡内外的动水压差远大于维持气 泡成球状的表面张力，导致气泡瞬时溃裂（溃裂时间约为几百 分之一或几千分之一秒)。
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按照空化的形态特征及发展程度又可以分为空化初生、片状 空化、空化云、和超空化等四个阶段。其中超空化为防止空化剥 蚀破坏提供了有利条件，因此近年来在水力机械的研究中引起广 泛的关注。超空化——空泡的长度发展到超过绕流体尺寸的固定 空化叫超空化，其重要标志是固定空泡的尾部跳离绕流体。
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§4.1 空化与空蚀机理
（4）振动空化：液体中的固体边界机械振动激发相邻液体产
生压力脉动，当振幅较大，振频较高时导致液体发生空化。该空 化的特点是发生空泡的液体是静止的，对材料有较大的破坏作用。 在叶片式水力机械中不多见。 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；
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§4.1 空化与空蚀机理
1、空化现象
对于任何液体：
在恒压下加热，温度上升到某一温度时，开始汽化，形成汽泡，⇒
沸腾
在恒温下降压，压力下降到某一临界压力（汽化压力）时，也会汽 化，溶解在液体中的气体析出，⇒形成汽泡（空泡、空穴）
空泡运动到压力较高的地方后，泡内的蒸汽重新凝结，气泡溃灭。
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§4.1 空化与空蚀机理
B、微射流模式
空泡溃灭时形成微射流造成空蚀。空泡溃灭前首先发生变形， 变形程度随压力梯度的增加和距壁面距离的减少而增大；变形导 致了速度很大的微型射流的形成。微型射流速度可以很高，通常 可达100~300m/s。学者库克对该射流产生的射流冲击压力进行 了估算（水）： p=1.4VMPa (V—射流速度) 若V=200m/s⇒p=280MPa。 该脉冲压力足以破坏材料的晶粒，同时也导致材料的疲劳破坏。 特点：能量集中程度高，作用时间短。
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三、空蚀机理
空蚀的形成与水的汽化现象有密切的联系，空蚀对 过流部件造成的破坏，主要有机械作用、化学作用和电
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
化作用三种。
水的汽化压力：在给定温度下水开始汽化的临界压力。
水在各种温度下的汽化压力值
水的温度 （℃） 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
汽化压力 0.06 0.09 0.12 0.24 0.43 0.72 1.26 2.03 3.18 4.83 7.15 10.33 （mH2O)
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文丘里管空化器结构图
文丘里管轴截面速度云图
文丘里管壁面压力分布云图
文丘里管壁面气相体积分数云图
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2、空蚀现象
当空泡溃灭的过程发生在固体表面及其附近，会使材料 受到破坏。这种由空化引起材料破坏的现象，称为空蚀。 空蚀能够使各种固体受到损害。所有金属，不论是软的 或硬的，脆性的还是具有延性的，在化学上是活性的还是惰
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§4.1 空化与空蚀机理 3、空化的类型
一般来讲，水力机械中的空化现象依据空化发生的环境及 空化的主要物理特性，大致可以分为：游离型空化、固定型空 化、旋涡型空化和振动型空化等四类。
相同点：液体的汽化 不同点：
沸腾：液体在常压高温条件下的汽化。1atm,100 ℃
空化：液体在常温低压条件下的汽化。0.0024atm,20 ℃
沸腾
空化
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（1）游离空化
由液体中移动的孤立的瞬态空泡或空泡群组成的空化现象。
这种空化的显著标志是空泡随液体的流动而移动。 常发生于壁面曲率很小，且未发生水流分离的边壁附近的 低压区，也可出现在移动的旋涡核心和紊动剪切层中的高紊动 区域。
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§4.1 空化与空蚀机理
应力电化效应：局部产生交变高应力⇒晶格之间应力差
⇒金属内部微小电池变形，形成电势差。 应变电化效应。 边界层放电电化效应。 根据对汽蚀现象的观测，空化和空蚀破坏主要是机械破坏，化学 和电化作用是次要的。化学和电化的腐蚀加速了机械破坏过程。
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§4.1 空化与空蚀机理
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§4.1 空化与空蚀机理
空化在水力机械运行过程中均有发生，包括泵、水轮机、船 舶推进器以及绕流水翼等。
在叶片式水力机械中，主要是游离型空化、固定型空化、旋 涡型空化这三种影响机械的性能并造成材料的破坏，且以固 定型空化最为普遍。 不同阶段空化的形成与发展的机理也不尽相同，尤其对于空 化云及超空化，它们伴随着空化云的脱落和空泡的破灭等多 种复杂的非定常流动现象。
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§4.1 空化与空蚀机理
（2）固定或附着空化：空泡附着在固体壁面上形成相对
稳定的空腔。肉眼看到的空腔或空穴相对于边壁而言似乎是固 定的，因此称为固定空化又由于其产生于水流分离区，因此也 称为分离空化。
固定空泡并不总是稳定的，
当空泡发展到一定程度，紧靠导 流体的液体流速将降低到零，紧 接着就会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。
振动空化与前述三种空化的根本区别在于：前述三种空化中， 一个液体单元仅通过空化区一次；而在振动空化中，虽有时 也伴有连续的流动，但其流速非常低，以至于给定的液体单 元经受了多次空化循环。
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§4.1 空化与空蚀机理
虽然，大多数情况下，空化是一种有害的现象要避免发生。 但目前也越来越多的被利用，主要是振动空化和超空化。
气泡经历了生成、发展、溃灭的过程，同时通常还伴有一系列物理 变化
水力机械中，由于压力的变化而导致的液流内气泡的生成、发展、
溃灭过程以及由此而产生的一系列物理变化⇒称为空化
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水的相变图
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空化与沸腾的异同
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第四章 叶片式流体机械的空化与空蚀
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§4.1 空化与空蚀机理
一、空化、空蚀(汽蚀)现象
空化与空蚀是发生于液体作为介质的流体机械（水力机械）
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§4.1 空化与空蚀机理
1. 机械作用理论
机械作用理论被学界广泛认同：
A、冲击压力波模式
空泡溃灭中心辐射出 来的冲击压力波（其值可 达几十甚至几百个大气压） 导致空蚀。 空泡越大，溃灭点距 边壁的距离越近，溃灭能 及冲击压力就越大，对材 料的破坏作用就越大。
§4.1 空化与空蚀机理
实验表明：压力下降到液体汽化压力附近时，气核开始形成气 泡—初生；随着压力进一步下降，气泡在随流过程中进一步长 大—发展；进入高压区后，气泡不断缩小直到溃灭。新的较小 的空泡再生---称为回弹，然后重复上述过程。
Note:空泡初生后一 般要经过几次膨胀、 收缩循环才能溃灭。
A.热力熔化理论 所释放的大量热量使材料表面融化造成破坏。 B.氧化腐蚀理论 局部瞬时高温可过300℃，高温、高压作用下，促进汽泡对金 属材料表面的氧化腐蚀作用。
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3.电化作用理论
该理论的必要条件是有电流形成。
热电效应：冲击导致局部温度上升⇒产生温度梯度⇒ 热电偶，形成电流⇒电解作用使材料破坏。
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§4.1 空化与空蚀机理
空化核存在形式：
单独存在的微小气泡或微小气团
附着在不浸润固体颗粒上 的微气泡
固体边壁表面微裂隙中的微气泡
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wk.baidu.com §4.1 空化与空蚀机理
2、空化的发展
空化初生后，随着系统压力进一步下降，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，气泡在随流过程中进 一步长大。
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§4.1 空化与空蚀机理
1、空化的初生
不溶于水、肉眼看不见、直径大约在10-5到10-6cm的微小气泡， 统称气核（空化核）。 空化初生不仅取决于液体的状态（压力） ，而且还与液体本身 的特性有关（含空化核的多少），且后者是主因，但却很难控 制和度量。 空化核是导致空化的根本原因（内因），压力降则是外因。 “空化核”观点已被大量试验证明，也与所观察到的物理现象 相吻合。 空化核主要有以下三种存在形式：