空化空蚀机理.pdf

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1、中国石油大学（北京）机械与储运工程学院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第四章叶片式流体机械的空化与空蚀中国石油大学（北京）机械与储运工程学院4/71§4.1空化与空蚀机理一、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。中国石油大学（北京）机械与储运工程学院5/71中国石油大学（

2、北京）机械与储运工程学院6/71中国石油大学（北京）机械与储运工程学院7/71§4.1空化与空蚀机理1、空化现象对于任何液体：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⇒称为空化中国石油大学（北京）机械与储运工程学院8/71水的相变图中国石

3、油大学（北京）机械与储运工程学院9/71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℃沸腾空化中国石油大学（北京）机械与储运工程学院10/71中国石油大学（北京）机械与储运工程学院11/71§4.1空化与空蚀机理中国石油大学（北京）机械与储运工程学院12/71§4.1空化与空蚀机理文丘里管空化器结构图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中国石油大学（北京）机械与储运工程学院13/712、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

4、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。中国石油大学（北京）机械与储运工程学院14/71§4.1空化与空蚀机理二、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=0.24

5、mH2O),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）。中国石油大学（北京）机械与储运工程学院15/71§4.1空化与空蚀机理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

6、现象相吻合。空化核主要有以下三种存在形式：中国石油大学（北京）机械与储运工程学院16/71§4.1空化与空蚀机理空化核存在形式：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固体边壁表面微裂隙中的微气泡的微气泡中国石油大学（北京）机械与储运工程学院17/71§4.1空化与空蚀机理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。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

7、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)。中国石油大学（北京）机械与储运工程学院18/71§4.1空化与空蚀机理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。Note:空泡初生后一般要经过几次膨胀、收缩循环才能溃灭。中国石油大学（北