空穴现象

液体内部局部压力降低时,液体内部或液固交界面上蒸气或气体空穴的形成、发展和溃灭的过程

空穴现象(Cavitation),又译气穴现象气蚀现象空洞现象,指的是在流动的液体中气相的空穴 – 亦即极小的无液体空间(“空泡”或“空隙”) – 产生与消灭的一种物理现象,是力作用在液体的结果。液体受到压力的快速改变时会产生空穴,此时的压力通常相当低,除了液体本身的蒸汽压,可以说是真空。当环境的压力变高,空穴分裂,产生强力的冲击波

流体动力学水洞实验中空蚀的螺旋桨模型。
高速液体射流冲击固定表面。
轴向柱塞泵液压泵的阀板上空穴现象造成的破坏。
这个影片可以看出齿轮泵上的空穴现象情形。

空穴现象是在工程环境中造成磨损的主要原因之一:在金属表面旁瓦解的空穴反复消灭,造成循环应力,将造成金属的表面疲劳。最常见的例子是泵的叶轮和弯曲处,此处最容易有液体瞬间的方向改变发生。空穴现象通常分为两种:惯性(或瞬态)空蚀和非惯性空蚀。

效应

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在流动的液体中,压力(水的话大气压的1/50程度)在非常短的时间内比饱和蒸气压力低的时候,液体中会滚沸并存在100微米以下非常小的气泡核。有气泡核,气泡才能产生。

根据压力的变化而滚沸,气体的体积也随着变化,气泡的大小也会改变。膨张与收缩的反复,应对于压力而变小。在变小的过程中,在螺旋桨等坚硬的表面上,气泡的黏性和表面张力的作用下,气泡以喷气飞机般的高速,与表面冲突,之后气泡分裂。这个喷气流在坚硬的表面上产生腐蚀。这个过程为气泡运动力学的瑞利(Rayleigh)运动方程式。

最终周围的压力比饱和蒸气压力高、周围的液体向着气泡的中心冲去,气泡消失瞬间,因为在中心冲突,发生细小而强力的压力波,引起噪音振动。过高的压力也会损坏金属。炸弹在水中爆炸时会有大量高压气泡造成破坏,这时的cavitation波叫做bulb pulse。

水中的空穴现象产生30微米左右的气泡、50KHz以上高速减退的高周波水中振动波(水中音波)。

效果

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鼓虾的巨螯能利用空穴现象攻击猎物。

庭院撒水

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在庭院撒水的时候,将水管弯曲时变狭小的地方所发出的声音就是因为发生了空穴现象。透明的管子的话,在弯曲处的数厘米处,内部的水看起来是白色浑浊的。

超声波洗浄机

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超声波作用于流体内时,可以使得流体内产生高低不同的压力分布。当超声波的声强足够强,产生了足以使得流体气化的低压时,超声波就会使流体产生大量气泡,而这些气泡一方面可以冲击污垢使污垢松脱,另一方面在高压区内可以被瞬间压溃,产生高强度的射流,清除物体表面污垢。

涡轮螺旋桨

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空穴现象的发生是因为产生的气泡、水泵或涡轮等不能充分的推动水流、换句话说就是接近空转的状态。无用的能源被消耗,使得机器的效率低下。而且同时产生的压力波使的这些机器的转动翼表面腐蚀,效率下降或损坏。

内燃机

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水冷引擎的水泵涡轮损耗。

导弹发动机

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防止方法

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为了不发生空穴现象,有形状与面积的两个方法:

  • 流体的压力在饱和蒸气压力以上,最佳化流体接触面的形状。
  • 与流体的接触面积变大,在饱和蒸气压以上,能够传达必要的力、如将螺旋桨变大。

超空蚀

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增加水中移动物体的速度,会令空穴现象所产生的气泡量増加,最后气泡完全覆盖物体。这效应为超空蚀(super cavitation)。利用这个原理提高速度的物体的推进系统为超空蚀推进系统 (super cavitation propeller SCP)。

除去移动方向的部分,物体因为不与水接触,基本上不会与水摩擦,因此能在水中超高速前进。