叶片式流体机械的空化与空蚀

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1、第四章叶片式流体机械的空化与空蚀§4.1流体机械的空化与空蚀机理一、空化及空蚀的机理：空化及空蚀是以液体为介质的叶片式流体机械，即水力机械才有可能出现的一种物理现象。空化现象：沸腾：液体在恒定压力下加热，当液体温度升高至某一温度，液体开始气化形成气泡，这叫沸腾。当温度一定，压力降低到某一临界压力，也会气化。当P

2、破裂，破裂所需应力不是以蒸汽压力来衡量，而是该温度下液体的抗拉强度。液体能不受拉，回答肯定。很多人对纯水作了试验，证明纯水的抗拉强度为26-27MPa。但实际上自然界的水不能承受拉应力，这是因为水的连续性破坏了。（例水温200c，压力2400Pa时水的连续性就破坏了，水就气化了）。而水的连续性的破坏是由于水中有杂质，改变了水的结构，消弱了水（液体）的抗拉强度，而水中液体中的杂质是多种多样的，主要是未溶解的气体。实际上，当局部压力降至蒸汽压力附近，未溶解气体首先从液体中析出，形成气核。故液体压力降低是空化产生和发展的外部条件，而其内因还是液体本身的特性（含未溶解气体的量）

3、。三、空化的发展及溃灭及空化的类型当压力再低，气泡长大，进入高压区，气泡不断缩小，溃灭。此过程是复杂过程，不仅和压力及含气量大小有关，还和液体的表面张力，粘性，可压缩性，惯性有关。高速摄影拍了气泡的溃灭过程：当气泡达到最大直径时，紧接着高速溃灭至气泡尺寸为零，而后又再生一个稍小的，接着又溃灭，这种再生一般二次，尺寸一次比一次小。类型：①游动型空化②固定型空化水力机械中出现③漩涡型空化④振动型空化：液体中的固体边界的机械振动激发相邻的液体产生压力脉动，与振幅足够大时，使液体产生空化。四）空蚀的机理是空泡溃灭过程中机械作用是空蚀破坏的主要原因。有两种理解：①空蚀破坏基本上是

4、由于从小空泡溃灭中心辐射出来的冲击波而产生的，称为冲击波模式。此冲击使边壁形成一个球面的凹坑；②另一种理解认为空蚀是由较大的空泡溃灭时形成微射流所造成的。此理论认为气泡变形、分解、使之形成了流速很大的微型液体射流，如果溃灭区离边界很近，则射流会射向固体边界造成空蚀。实际流体机械内部两种都有，大的气泡造成射流，小气泡溃灭产生冲击式压力波。射流速度很高，达100m/s—300m/s，因流速很大，故产生的冲击压力可用水锤压力公式来计算。,Ca为液体中的声速，C为射流速度，若C=100m/s，则压力为200MPa这样大的压力作用力材料表面，引起材料表面上的蚀坑，引起材料的疲劳破

5、坏。另外，由于空泡受压，汽相凝结，放出大量的热，使金属表面融化破坏。还有有的金属表面温度高，别的地方温度低，形成热电偶，产生电流，电流引起电解作用使金属产生电化学破坏。一、空化数由于液体中空穴的产生，发展，溃灭与流动特征的主要因素边界的形状、压力、流速及形成气泡或维持气泡的临界压力Pcr有关，故水动力学中希望用反映上诉参数无量纲数k表示空化程度，称为空化数，下面以孤立翼型分析之。对0-0及1-1列伯努力方程：定义单翼的系数取1-1断面在翼型上最低压力点处，此时速度最大，压力最低。于是得：对于叶栅有：w2,p2叶栅下游的速度和压力，wm,pm叶栅上任一点的压力及速度.叶栅

6、的最低压力系数为：当PminPcr，即发生空化。希望PminPcr，在固定压力下，增加相对流速w0(wm)或w0不变，降低压力都使PminPcr，当空化发生时，Pcr=Pva,定义翼型空化数为：叶栅空化数为：P1,w1叶栅进口的压力及速度绕流翼型的流场中，若保持w0不变，降低，则空化数降低，同时翼型表面压力降低，当翼型表面的最低压力降低到时产生第一个气泡，此时的空化数的值叫初生空化数，记为，同理对叶栅：同理，保持压力不变，而增加来流速度，同样可使空化数降低，当降低到一定值时，开始产生空化，此时的空化数同样为初生空化数。初生空化数取决于翼型的绕流特性，其值取决于翼型表面的

7、速度分布。目前知和的关系为：=-，[]由此可见，①若w0(或w1)增大，或减小，则沿物体其它表面上的压力降至临界压力，因而空化将从空穴初生处蔓延。此时kki。可见对于任何系统，可调节w0(或w1)或使k大于，等于，小于ki从而实现空穴从无到初生，再到破灭。②在一定温度下，Pva一定。当绕流开始出现空穴时，愈大，ki愈大，这说明在大的绕流这一物易出现空化。反之，愈小，（或w0愈大）时才出现空化，此时的ki值小，则表明该物体不易产生空化。③空化数k表示绕流环境条件的参数，和环境压力，来流速度、叶栅本身特性无关。说明k增大