关于空化介绍

[拼音]：konghua

[外文]：cavitation

液体内局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸气或气体的空穴（空泡）的形成、发展和溃灭的过程。1873年O.雷诺从理论上预言，船桨和水之间的高速相对运动会产生影响船桨性能的真空腔。1897年S.W.巴纳比和C.A.帕森斯在“果敢号”鱼雷艇和几艘蒸汽机船相继发生推进器效率严重下降事件以后，提出了“空化”的概念，并指出在液体和物体间存在高速相对运动的场合就可能出现空化。第二次世界大战后，有关空化研究的国际学术活动相当频繁。国际船模试验池协会（ITTC）、国际水力学研究协会(IAHR)和船舶水动力学协会都把空化研究列为重要议题；此外，还经常举办空化专题讨论会。

船用螺旋桨、舵、水翼、水中兵器、水泵、水轮机、高速涵洞、闸门槽、液体火箭泵、柴油机气缸套等都会遇到空化问题，造成效率降低，材料剥蚀，并产生振动和噪声。但是，在进行流态显示、水力钻孔和工业清洗作业中，空化并不完全是有害的，而在化学工程、医药工程、空间工程和核工程方面还是有应用价值的。

研究空化的主要实验设备是空化水洞，除此以外还有减压箱、真空拖曳水池、文丘里空化发生器、磁致伸缩仪、转盘空蚀装置、空化射流q、单气泡空化发生器等。有关空化的基础研究包括空化机理、空蚀、空泡流理论、空化噪声和不定常空化等课题。应用光、声也能使液体发生空泡，近年来有人用这种方法研究气泡的运动。

液体中的固体同液体作相对运动时，固体周围的液体内部或液固交界面上的空化状态按照运动的速度，可分成亚空化、临界空化、局部空化和超空化四种。亚空化状态是在液体内部或液固交界面上没有空泡的状态；临界空化状态是在液固交界面上开始出现空泡的状态；局部空化状态是在固体局部边界面上和邻近液体内部出现空泡的状态；超空化状态是在固体整个边界面上和靠近固体尾端的液体中都出现空泡的状态。

描述空化状态的无量纲参数。空化数σ 的表达式为：

式中p∞和V∞分别为液体的来流压力和流速；ρ为液体密度；pV为液体在环境温度下的饱和蒸气压。临界空化状态可以通过减压或增速把无空化状态的空化数降低到起始空化数σi，也可以通过增压或减速把局部空化状态的空化数升高到消灭空化数σd而得到。σi和σd一般是不相等的，这种现象称为空化时滞。在各种空化状态下，即使空化数不变，每个空泡在流场中也都有各自的形成、发展和溃灭的过程。

指空泡形成、发展和溃灭过程的物理本质。影响上述过程的主要因素有：液体本身的特性（表面张力、抗拉强度、温度、总空气含量、自由气体浓度、核谱即空化核的大小和尺度分布、粘性、压缩性、密度、饱和蒸气压等），液体的流体动力特性（湍流度、流场中的压力梯度、压力随时间的变化过程、热传导、气体扩散效应等）和沉浸物体表面的物化特性（表面浸润性、多孔性、粗糙度等）。其中空化核的存在是液体空化的先决条件；压力场的作用是液体空化的外部原因，压力幅值和施加时间决定液体空化状态。工程上常用流场中最低压力系数来预测起始空化数σi，空化起始的经典相似律就是σi=-。但是，偏离经典相似律的情况是常见的，而且在相同的空化数值下，原型与模型的空化状态也往往不同，这就是所谓的空化的尺度效应。

空化有各种不同的分类法。按动力特性可分为：游移型空化、固定型空化、旋涡型空化和振动型空化；按外貌特征可分为：泡状空化、片状空化、斑状空化、条纹状空化、团状空化、雾状空化、梢涡空化和毂涡空化等(见彩图）；按发展阶段可分为：临界空化、局部空化和超空化等。

参考书目

1. R.T.柯乃普等著，水利水电科学研究院译：《空化与空蚀》，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 Multiphase FlowPhenomena，McGraw-Hill，New York，1980.