空化及应用

空化

空化是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间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。

船用螺旋桨、舵、水翼、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，近年来有人用这种方法研究气泡的运动。

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。

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来预测起始空化数σi，空化起始的经典相似律就是σi=-。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。

附：空化应用。

空化武器是一种直径 61 厘米的大型鱼雷，以最大航速 50 节航行时，最大射程达 20 000 米 ;以 36 节的航速航行时，最大射程达 40000 米。现今服役的鱼雷中，航速最高的是美国海军的 Mk50 鱼雷，达到 60~70 节。

空化热泵供暖系统包括新型节能设备空化系统、自动控制系统、散热系统、循环系统四部分。空化装置是整个系统的主机，为系统提供热源和动力，其供热原理是：利用空化现象,在循环泵的作用下,水体迅速进入空化装置,在空化装置作用下, 完成升温，进入循环系统，通过散热系统，实现室内供暖。

超声波空化治疗仪在医疗方面的独特疗效已得到医学界的普

遍认可，并越来越被临床重视和采用。国内外医学专家利用超声技术在治疗肢体软组织损伤、肢体慢性疼痛康复、肢体运动康复方面积取得了非常好的疗效，并把超声治疗拓展到中医科、骨科、外科、内科、儿科、肿瘤科、男科、妇产科等，在临床得以广泛应用，取得了满意的治疗效果。

水力空化的常用设备之一是高压均质器。高压均质器是一个高压容积泵与一个喉管设备配套使用，根据高压溢流阀的原理操作。经过泵压缩的高压流体流经收缩管时，压力能转化为流体的动能。在动能非常大时，流体的压力下降，当流体压力低于介质的饱和蒸汽压时产生空化现象。高压均质器调压范围在50atm -300atm之间。通常一个高压均质器回路有一个贮水池和两个节流阀组成，设计采用2级均质来控制水力空化器的操作压力。当压力达到临界排放压力时空化初始阶段出现，当压力超过临界排放压力时，空化效果显著，当且不说空化高压均质器因为高速流体扰动和高速流体对器壁的冲击而形

成的剪切作用。高压均质器尤其适用于食品的乳化工艺、制药和生物工程。所有高压均质器的共同缺点是不能精确控制空化量和空化结束时产生的压力脉冲的大小（空化强度），除非阀体设计发生本质改变。