1、1/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 2/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 3/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 4/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 第四章 叶片式流体机械的空化与空蚀 5/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 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）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
2、中的重要研究课题。 4.1 空化与空蚀机理 6/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 7/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 8/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 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。 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
3、及由此而产生的一系列物 理变 化 称为 空化 4.1 空化与空蚀机理 1、空化现象 对于任何液体： 9/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 水的相变图 10/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 空 化与沸腾的异同 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 11/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 12/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 4.1 空化与空蚀机理 13/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院
4、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 文丘里管 空化器结构图 4.1 空化与空蚀机理 14/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 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。 15/71 中国石油大学（北京） 机
5、械与储运工程学院 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。 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 ）。 4.1 空化与空蚀机理 16/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 1、空化的
6、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： 4.1 空化与空蚀机理 17/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 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 4.1 空化与空蚀机理 1
7、8/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 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。 4.1 空化与空蚀机理 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 )。 19/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 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
8、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。 4.1 空化与空蚀机理 Note:空 泡初生后 一 般要 经过 几次 膨胀、 收缩 循环 才能溃灭。 20/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 21/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 22/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 23/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 23 3、空化的类型 4.1 空化与空蚀机理 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
9、：游离型空化 、固定型 空化、旋涡型空化和振动型空化等四类。 （ 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。 24/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 4.1 空化与空蚀机理 25/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 （ 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
10、此也称为 分离空化 。 4.1 空化与空蚀机理 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。 26/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 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。 典型超空化照片 片状空化和云状空化 27/71 中国石油大学（
11、北京） 机械与储运工程学院 （ 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。 4.1 空化与空蚀机理 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 28/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 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； 29/71 中国石油大学（北京） 机械与
12、储运工程学院 （ 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。 4.1 空化与空蚀机理 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 ； 30/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 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 。 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 。 4.1 空化与空蚀机理
