空化空蚀机理

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18/71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233、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：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（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31/71中国石油大学（北京）机械与储运工程学院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。§4.1空化与空蚀机理•工业牛奶的杀菌•污物的清洗•超空化现象来降低鱼雷在水中航行的阻力•减肥32/71中国石油大学（北京）机械与储运工程学院33/71中国石油大学（北京）机械与储运工程学院三、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、化学作用和电化作用三种。§4.1空化与空蚀机理水的汽化压力：在给定温度下水开始汽化的临界压力。水的温度（℃）05102030405060708090100汽化压力（mH2O)0.060.090.120.240.430.721.262.033.184.837.1510.33水在各种温度下的汽化压力值34/71中国石油大学（北京）机械与储运工程学院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35/71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。36/71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37/71中国石油大学（北京）机械与储运工程学院38/71中国石油大学（北京）机械与储运工程学院2.化学作用理论§4.1空化与空蚀机理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。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。39/71中国石油大学（北京）机械与储运工程学院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。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。40/71中国石油大学（北京）机械与储运工程学院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，增加了气核，促进了空蚀。空化的出现，增加了水流的湍流强度，加速了泥沙磨损。（2）水质的的影响主要是含气量。通常水中含气量为5%，但有的地区可能更高。§4.1空化与空蚀机理41/71中国石油大学（北京）机械与储运工程学院四、流体机械中空蚀破坏的类型§4.1空化与空蚀机理1.翼型空蚀(1)翼型空蚀与翼型几何形状有关按空蚀发生部位的可将空蚀破坏分成四类：42/71中国石油大学（北京）机械与储运工程学院（2）