相变、成核与空化.doc

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1、相变、成核与空化 本文节译自《CAVITATIONANDBUBBLEDYNAMICS》byChristopherEarlsBrennen1 相变、成核与空化 1.1前言   本章着重解释气液两相混合态的形成机制，尤其关注的是液体中气泡形成的过程。介绍中我们力求将研究活动中几个带有重合性的部分融合在一起。首先是从Frenkel(1955)和Skripov(1974)的书中归纳出来的成核的基本原理的研究成果。这些书中介绍了大量很纯的液体和干净的环境以确保属于纯净液体的特性。另一方面，很多工程系统在成核的过程中起了很重要的作用。本章后半部分将介绍在这样的工程环境中成核的物理

2、机制。这一工程学科大致分为两个单独的研究领域，即空化和沸腾。这两种过程的一个简单而有效的区别方法，是将空化定义为当压力低于气态压力时在液体内的成核过程，而将沸腾定义为当温度超过饱和气液温度时所发生的成核过程。当然，从物理学的角度来看，这两个过程只有些许的差别，而我们则要尽力同时区分开这两种成核过程。产生这两种过程差异的原因是存在一些复杂的因素，即一方面是由于温度梯度的差异造成空化流，而另一方面则是由于壁效应造成了沸腾。本章最后一节将详细介绍这些复杂的因素。1.2液态 任何有关液态变气态或者气态变液态的讨论都离不开对液态的讨论。虽然用简单的运动学理论来理解气态就足以达到

3、我们的目的，但还是要进一步考虑到液态的性质。因此我们还是要遵循Frenkel(1955)，尽管现代的研究通常是基于统计力学的（比如Carey，1992）。我们的讨论从经典的相位图开始，虽然它比较理想化，但也是符合基本事实的。图1.1表示压力P、温度T和相应体积V的典型图形，图中标明了物质的状态。三相点是固、液、气三态共存的，也就是说，在这里的物质有三种可供选择的状态。气液饱和线（或称双相线）从三相点开始一直延伸到临界点。从热力学上说它是根据这样的事实来确定的，即两个共存相的化学势必须相等。在这条线上的气态和液态表现为一种“无相态”，随着等温线体积的变化可以一会儿是气态

4、一会儿是液态，即一种中间的不稳定状态。按照Frenkel(1955)的说法，“在不稳定态下，由液态到气态或者由气态到液态的实际转换不是按照理论的等温线（图1.1右图中的虚线）而是按照水平的等温线（实线）进行的。这与原有的同种物质分化为两种不同物质的共存相是一致的……”临界点是理论等温线的最大值和最小值皆为0而间断点不存在的点。在理论等温线线上与最大值相交的被称为蒸汽拐点线，与最小值相交的称为液体拐点线。显然这两条线汇聚在临界点。这两条拐点线与饱和线（或称双相线）之间的两个区域是很值得重视的，因为它表示这些区域的理论等温线在某些特殊条件下是可以实现的。例如,如果一种纯液

5、体在状态A(见图1.1)是恒温条件下减压的，当压力降低到低于B点压力(饱和蒸汽压)时会出现好几种情况。如果有足够数量、足够大小的核粒存在（详后讨论），液体将变为蒸汽沿水平线的状态从B和C移动，在低于蒸汽压的压力下保持与E点相同的平衡状态，然而，如果没有核粒出现，减压可能导致继续沿理论等温状态向下，比如D点的位置，称为“亚稳态”，因为条件不具备不能稳定转变到E点状态。象D点这样的液体被称为张性液体，B点到D点的压力差可作为张力的度量。当然，我们也可以在D’点沿等温线靠升温来到达D点状态。因此，也可以把D点状态称为过热状态，也可以用D点和D’点的温度差作为过热的度量。类似

6、地我们可以想象，比如F点的冷却或加压的蒸汽转变为象F’点的亚稳态蒸汽，F点和F’点之间的温度差可作为过冷的度量。  图1.1典型相位图解 1.3流动性和弹性 在进行详细的研究之前，有必要先定性地介绍一些液态的性质，并对这些性质与单晶的固态和气态作一番比较。第一，也是饱和液态与饱和气态最明显的差别是，与固态类似，液态的密度总是保持相对的恒定，只在临界点除外。另一方面，蒸汽的密度差别随着温度的变化至少是从2到5甚至更多的级别。由于这一点在往后的讨论中也很重要，因此在图1.2中画出了多种流体的饱和液态密度与饱和蒸汽密度的比值。比值不是按照空间温度画的，图中θ=T/Tc，T为

7、实际温度而Tc是临界温度。第二，检验饱和液体比热容的测量表明，在不靠近临界点高温的情况下，液体比热容和固体比热容是同一个量级的。上述液体的两个特征意味着液体分子的热运动与固体分子的热运动以及固体内处于准平衡位置的小振幅振动情况是相似的。分子的排列比起气体来说与固体具有更大的相似性。我们需要强调这种与固体的相似性，以抵消液态好像更像气体而不像固态的想法，因为在很多观测流程中是流动性占主导地位而不是弹性。进而，我们还要指出，固体除了弹性之外也具有流动性。在高温，特别是达到溶解温度的0.6到0.7时，大多数结晶固体都会发生流动，即我们熟称的蠕变。当应变率很