空化

液體內局部壓力降低時，液體內部或液固交界面上蒸氣或氣體的空穴（空泡）的形成、發展和潰滅的過程。

基本介紹

• 中文名：空化
• 外文名：cavitation

簡介

液體內局部壓力降低時，液體內部或液固交界面上蒸氣或氣體的空穴(空泡)的形成、發展和潰滅的過程。1873年O．雷諾從理論上預言，船槳和水之間的高速相對運動會產生影響船槳性能的真空腔。1697年S．W．巴納比和C．A．帕森斯在“果敢號”魚雷艇和幾艘蒸汽機船相繼發生推進器效率嚴重下降事件以後，提出了“空化”的概念，並指出在液體和物體問存在高速相對運動的場合就可能出現空化。第二次世界大戰後，有關空化研究的國際學術活動相當頻繁。國際船模試驗池協會(ITTC)、國際水力學研究協會(IAHR)和船舶水動力學協會都把空化研究列為重要議題；此外，還經常舉辦空化專題討論會

液體運動中物體受空化衝擊後，表面會出現的變形和材料剝蝕現象，又稱剝蝕或氣蝕。空化過程中，空泡急速產生、擴張和潰滅，在液體中形成激波或高速微射流。金屬材料受到衝擊後，表面晶體結構被扭曲，出現化學不穩定性，使鄰近晶粒具有不同的電勢，從而加速電化學腐蝕過程。剝蝕區域材料的機械性能顯著惡化，導致空蝕量劇增。在有關工程設計中，須預先進行模型試驗，採取措施，儘量避免發生空蝕；也可在會發生空蝕的部位塗上或包上彈性強的抗空蝕材料，或注入氣體以吸收空泡潰滅所輻射的能量。是局部空化（局部邊界面上出現空泡）的後果，故有時可利用超空化狀態（固體整個邊界面上的空泡發展延伸到固體尾端的液體中）來避免空化，如設計高轉速的超空化螺旋槳和超空化水泵等。

船用螺旋槳、舵、永翼、水中兵器，水泵、水輪機、高速涵洞、閘門槽、液體火箭泵、柴油機氣缸套等都會遇到空化問題，造成效率降低，材料剝蝕，並產生振動和噪聲。但是，在進行流態顯示、水力鑽孔和工業清洗作業中，空化並不完全是有害的，而在化學工程、醫藥工程、空間工程和核工程方面還是有套用價值的。

研究空化的主要實驗設備是空化水洞，除此以外還有減壓箱、真空拖曳水池、文丘里空化發生器、磁致伸縮儀、轉盤空蝕裝置、空化射流槍、單氣泡空化發生器等。有關空化的基礎研究包括空化機理、空蝕，空泡流理論、空化噪聲和不定常空化等課題。套用光、聲也能使液體發生空泡，有人用這種方法研究氣泡的運動。

空泡流理論

研究水中運動物體在物面上產生空化形成空泡情形下，繞流流場和水動力特性的理論。空泡流有兩種類型：①超空泡流，空化充分發展，空泡從物體表面延伸到尾部後面的流動。②局部空泡流，空化區域僅覆蓋物體部分表面而不超出物體尾部的流動。為用數學方法對空泡流進行計算，必須建立空泡流模型，如映象模型、回射流模型、開放尾流模型、螺旋渦模型等。在流體機械和水工設計中要儘量避免產生空化，但有時也利用超空化狀態來達到高速穩定的運轉狀態，就需要利用超空泡流理論指導設計工作。

空化效應

液體中空泡潰滅時產生的空蝕、噪聲、振動和發光等現象。空化噪聲是一種很強的水動力噪聲，在有關工程中通常應儘量避免。空泡潰滅時產生的脈衝作用加大結構物的振動，也會產生有害影響。在空化發光效應中，光強很弱，只能在暗室內才能測到。對這種發光效應的機理尚未弄清。有人把水洞實驗室的光線遮掉，用30分鐘長曝光時間攝取空化發光的圖像，同時記錄物體表面的空蝕強度，發現空化發光強度與空蝕強度變化趨勢是一致的。因此，有可能利用空化發光效應預報空蝕強度。這種技術正在探討中。

空化狀態

液體中的固體同液體作相對運動時，固體周圍的液體內部或液固交界面上的空化狀態按照運動的速度，可分成亞空化、臨界空化、局部空化和超空化四種。亞空化狀態是在液體內部或液固交界面上沒有空泡的狀態；臨界空化狀態是在液固交界面上開始出現空泡的狀態；局部空化狀態是在固體局部邊界面上和鄰近液體內部出現空泡的狀態；超空化狀態是在固體整個邊界面上和靠近固體尾端的液體中都出現空泡的狀態。

空化數

描述空化狀態的無量綱參數。空化數σ 的表達式為：

式中p_∞和V_∞分別為液體的來流壓力和流速；ρ為液體密度；pV為液體在環境溫度下的飽和蒸氣壓。臨界空化狀態可以通過減壓或增速把無空化狀態的空化數降低到起始空化數σi，也可以通過增壓或減速把局部空化狀態的空化數升高到消滅空化數σd而得到。σi和σd一般是不相等的，這種現象稱為空化時滯。在各種空化狀態下，即使空化數不變，每個空泡在流場中也都有各自的形成、發展和潰滅的過程。

空化機理

指空泡形成、發展和潰滅過程的物理本質。影響上述過程的主要因素有：液體本身的特性（表面張力、抗

拉強度、溫度、總空氣含量、自由氣體濃度、核譜即空化核的大小和尺度分布、粘性、壓縮性、密度、飽和蒸氣壓等），液體的流體動力特性（湍流度、流場中的壓力梯度、壓力隨時間的變化過程、熱傳導、氣體擴散效應等）和沉浸物體表面的物化特性（表面浸潤性、多孔性、粗糙度等）。其中空化核的存在是液體空化的先決條件；壓力場的作用是液體空化的外部原因，壓力幅值和施加時間決定液體空化狀態。工程上常用流場中最低壓力係數C_Fmin來預測起始空化數σi，空化起始的經典相似律就是σi=-C_Fmin。但是，偏離經典相似律的情況是常見的，而且在相同的空化數值下，原型與模型的空化狀態也往往不同，這就是所謂的空化的尺度效應。

空化類型

空化有各種不同的分類法。按動力特性可分為：游移型空化、固定型空化、旋渦型空化和振動型空化；按外貌特徵可分為：泡狀空化、片狀空化、斑狀空化、條紋狀空化、團狀空化、霧狀空化、梢渦空化和轂渦空化等(見彩圖）；按發展階段可分為：臨界空化、局部空化和超空化等。

參考文獻

1.R．T．柯乃普等著，水利水電科學研究院譯：《空化與空蝕》，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．