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空泡

空泡(Cavity)是在液体介质遭到连续性破坏的基础上出现的,是压力降低的结果。或者说,当液体内某点压力降低到某个临界压力以下时,液体发生汽化,先是微观的,然后成为宏观的小气泡,尔后在液体内部或液体与固体的交界面上,汇合形成较大的蒸汽与气体的空腔,称为空泡。空泡的产生、发展与溃灭过程称为空化现象(Cavitation Phenomenon)。液体中存在气核(微小气泡)和压力降低是空化发生的两个必要条件。 [1]

空泡是指一部分压力降至水饱和蒸气压以下时产生的气泡,这些气泡是由蒸气和某些溶解于水中的气体组成的。空泡产生于发声的振动板的周围,或产生与单位面积升力大的水翼(如水翼或船的螺旋桨)的周围。也就是说,这些物体的表面压力剧烈下降,最终下降到所在温度的饱和蒸气压以下,这时先生成微小的气泡,然后气泡吸收去气体而逐渐增大。

随着空泡产生,气泡流向下游,一般说,空泡周围的压力会再度上升,而空泡趋向消失。然而,由于空泡是突然产生的,冲过来的水力会使气泡破裂,并且又激烈地相互碰撞和相互排斥,气泡在造成的冲击状态中反复地被破坏和产生。

这种现象会引起周围的流体产生剧烈的压力变化,发出噪声。在那里的物体表面除受到冲击引起损伤之外,还会导致阻力显著地增大。为此,在设计水中运转的机械时,不要造成会产生空气泡的形状,或者设计成即使产生空泡,也不至于对该机械带来不良影响的形状。 [1]

水翼船的一个优势是具有较高的航速,但是在过高的速度下,水翼将产生空泡,空泡会使水翼的流体动力性能恶化,所以在设计中必须考虑空泡对水翼船性能的影响,对空泡进行校验,避免空泡的产生。 [2]

水翼在水中运动时,其表面压力发生变化,当水翼低压区的压力降低到临界值以下时,水开始汽化,产生空泡。一般认为,压力的临界值即为该温度时水的汽化压力(或称饱和蒸汽压力)。

空泡发展过程分为三个阶段。在空泡的第一阶段,空泡区域是局部的,空泡在低压区形成,进入高压区以后,在水翼随边前面的表面处溃灭,对水翼的升力和阻力没有明显影响,但对水翼表面产生剥蚀。在空泡第二阶段,水翼上表面形成为一个很大的空泡腔,空泡在水翼的后方溃灭,对水翼表面不产生剥蚀作用,但使水翼的升力和阻力都下降。在空泡第三阶段,空泡腔覆盖了整个水翼,这时水翼的上表面全部被气泡覆盖,这种状态也称为全空泡状态。此状态下,由于湿面积减少,水翼升力和阻力均大幅下降。 [2]

检验空泡是否发生的标准就是翼背压力最低点是否达到该温度时的饱和蒸汽压,即pmin≤pd

用无因次表示压降系数为

令产生空泡时的压力为pd,则定义空泡数

这时空泡产生的条件为

只要最大压降系数大于等于空泡数,则水翼翼背就会产生空泡。

在设计水翼船时,可以通过空泡斗曲线得到不产生空泡的水翼工作区域。空泡斗曲线可以通过理论计算或试验得到,根据不同的设计需求其形式多样。有的显示水翼在

空泡腐蚀也称空蚀、气(汽)蚀,是一种特殊形式的冲刷腐蚀,是由于金属表面附近的液体中空泡溃灭造成表面粗化、出现大量直径不等的火山口状的凹坑,最终丧失使用性能的一种破坏。空泡腐蚀只发生在高速的湍流状态下,特别是液体流经形状复杂的表面,液体压强发生很大变化的场合,常常发生在高速流体流经形状复杂的金属表面,液体压强变化的场合,如汽轮机叶片、船用螺旋桨、泵叶轮、阀门及换热器的集束管口等。

根据流体动力学的Bernoulli定律,在局部位置当流速变得十分高,以至于其静压强低于液体汽化压强时,液体内会迅速形成无数个小空泡。气泡主要是水蒸气以及少量从水中析出的气体。空泡中主要是水蒸气,随着压力降低,空泡不断长大,单相流变成双相流。气泡随液体到达压强高的区域时,气泡破灭,同时产生很大的冲击压强。由于溃灭时间极短,约10-3 s,其空间被周围液体迅速充填,造成强大的冲击压力。大量的空泡在金属表面某个区域反复溃灭,足可以使金属表面发生应变疲劳并诱发裂纹,导致空泡腐坏,如图2所示。 [3]

早期的一些研究者强调空泡腐蚀的电化学作用,后来理论计算(气泡破灭产生的冲击压强可达103MPa)和实验测量表明,空泡破灭的机械作用足以使韧性金属发生塑性变形或使脆性金属开裂。空泡溃灭造成的机械破坏最初认为是由空泡溃灭产生的冲击波引起的,后来的研究表明空泡溃灭瞬间产生的高速微射流也有重要的作用。关于空泡腐蚀的机理,存在两种较容易接受的金属材料空蚀破坏机制,即冲击波机制和微射流机制。

液体内局部压力的起伏而引起蒸气泡的形核、生长及溃灭的过程会导致空泡的产生。当液体内的静压力突然下降到低于同一温度下液体的蒸气压时,在液体内就会形成大量的空泡,而空泡群进入较高压力的位置时,空泡就会溃灭。空泡的溃灭使气泡内所储存的势能转变成较小体积内流体的功能。使流体内形成流体冲击波。这种冲击波传递给流体中的金属构件时,会使构件表面产生应力脉冲和脉冲式的局部塑性变形。流体冲击波的反复作用使金属材料表面出现空蚀坑。

由于液体中压力的降低而产生了大量的空泡,空泡在金属材料边壁附近或与边壁接触的情况下,由于空泡上下壁角边界的不对称性。故在溃灭时,空泡的上下壁面的溃灭速度是不同的。如图3所示,远离壁面的空泡壁将较早地破灭,而最靠近材料表面的空泡壁将较迟的破裂。于是形成向壁的微射流速度可达100~400m/s。此微射流在极短的时间内就完成对金属表面的定向冲击,所产生的应力相当于水锤作用。

流体力学(机械)因素对空泡腐蚀的贡献是主要的,但在腐蚀介质中,电化学因素也是不能忽视的。两者之间存在着协同作用。空泡溃灭破坏了表面保护膜,促进腐蚀;另一方面,蚀坑的形成进一步促进了空泡的形核,已有的蚀坑又可起到应力集中的作用,促进了物质从表面和基体的剥离。一般在应力不太大时,腐蚀因素与机械因素不相上下,腐蚀因素(介质的成分、合金耐蚀性和钝性、电化学保护或应用缓蚀剂等)对空泡腐蚀有很大影响,随流体的腐蚀性增大,空泡腐蚀将更为严重;当应力很大时,如在强烈的水冲击下,机械因素的作用将显著增加。 [3]

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