空化空蚀机理资料

《空化空蚀机理资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《空化空蚀机理资料（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、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 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 4/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 第四章第四章 叶片式流体机械的空化与空蚀叶片式流体机械的空化与空蚀 5/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 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

2、是国内外水力机械领域中的重要研究课题。 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 6/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 7/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 8/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 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

3、、 溃灭过程以及由此而产生的一系列物理变化称为空化 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 1、空化现象 对于任何液体： 9/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 水的相变图水的相变图 10/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 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 11/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 12/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 13/71 中国石

4、油大学（北京） 机械与储运工程学院 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 文丘里管空化器结构图 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 14/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 2、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。 15/

5、71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 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=0.24mH2O),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）。 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 16/71 中国石油大学（北京） 机械与储运

6、工程学院 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现象 相吻合。 空化核主要有以下三种存在形式： 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 17/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 空化核存在形式： 单独存在的微小气泡或微小气团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附着在不

7、浸润固体颗粒上 的微气泡的微气泡 固体边壁表面微裂隙中的微气泡固体边壁表面微裂隙中的微气泡 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 18/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 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。 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 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 泡成球状的表面张力，导致气泡瞬时溃裂（溃裂

8、时间约为几百 分之一或几千分之一秒)。 19/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 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。 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 Note:空泡初生后一 般要经过几次膨胀、 收缩循环才能溃灭。 20/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 21/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 22/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 23/71 中国石油大学（北

9、京） 机械与储运工程学院 23 3、空化的类型 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 一般来讲，水力机械中的空化现象依据空化发生的环境及 空化的主要物理特性，大致可以分为：游离型空化、固定型空 化、旋涡型空化和振动型空化等四类。 （1）游离空化 由液体中移动的孤立的瞬态空泡或空泡群组成的空化现象。 这种空化的显著标志是空泡随液体的流动而移动。 常发生于壁面曲率很小，且未发生水流分离的边壁附近的 低压区，也可出现在移动的旋涡核心和紊动剪切层中的高紊动 区域。 24/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 25/71 中国石油大学（北京

10、） 机械与储运工程学院 （2）固定或附着空化：空泡附着在固体壁面上形成相对 稳定的空腔。肉眼看到的空腔或空穴相对于边壁而言似乎是固 定的，因此称为固定空化又由于其产生于水流分离区，因此也 称为分离空化。 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 固定空泡并不总是稳定的， 当空泡发展到一定程度，紧靠导 流体的液体流速将降低到零，紧 接着就会出现向上游移动的回注 水流，空泡将逐渐脱离固体边界 而随水流漂移。 26/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 按照空化的形态特征及发展程度又可以分为空化初生、片状 空化、空化云、和超空化等四个阶段。其中超空化为防止空化剥 蚀破坏提供了有利条件，

11、因此近年来在水力机械的研究中引起广 泛的关注。超空化空泡的长度发展到超过绕流体尺寸的固定 空化叫超空化，其重要标志是固定空泡的尾部跳离绕流体。 典型超空化照片 片状空化和云状空化 27/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 （3）旋涡空化：由液流受到强烈的扰动而产生的旋涡形成的 。多发生在水力机械的进出口边和绕流物体的尾部。漩涡空化可 能是固定的，也可能是游移的，尾流中的漩涡空化是不稳定的和 多变的。其形态多为螺旋形。 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 水轮机尾水管中旋涡空化的现场临摹图 螺旋桨上旋涡空化的高速摄像照片 28/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院

12、 旋涡空化的寿命可能游移空 化长，在旋涡角动量的维持下， 溃灭速率慢，故溃灭压力较小； 旋涡只能在液体内部存在，所 以只有旋涡在接触物体表面溃灭 时，才起破坏作用； 29/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 （4）振动空化：液体中的固体边界机械振动激发相邻液体产 生压力脉动，当振幅较大，振频较高时导致液体发生空化。该空 化的特点是发生空泡的液体是静止的，对材料有较大的破坏作用。 在叶片式水力机械中不多见。 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 振动空化的强度取决于振源的振动强度和振动频率以及振动 体表面的几何形状； 30/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 空化

13、在水力机械运行过程中均有发生，包括泵、水轮机、船 舶推进器以及绕流水翼等。 在叶片式水力机械中，主要是游离型空化、固定型空化、旋 涡型空化这三种影响机械的性能并造成材料的破坏，且以固 定型空化最为普遍。 不同阶段空化的形成与发展的机理也不尽相同，尤其对于空 化云及超空化，它们伴随着空化云的脱落和空泡的破灭等多 种复杂的非定常流动现象。 振动空化与前述三种空化的根本区别在于：前述三种空化中， 一个液体单元仅通过空化区一次；而在振动空化中，虽有时 也伴有连续的流动，但其流速非常低，以至于给定的液体单 元经受了多次空化循环。 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 31/71 中国石油大学（北

14、京） 机械与储运工程学院 虽然，大多数情况下，空化是一种有害的现象要避免发生。 但目前也越来越多的被利用，主要是振动空化和超空化。 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 工业牛奶的杀菌 污物的清洗 超空化现象来降低鱼雷在水中航行的阻力 减肥 32/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 33/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 三、空蚀机理 空蚀的形成与水的汽化现象有密切的联系，空蚀对 过流部件造成的破坏，主要有机械作用、化学作用和电 化作用三种。 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 水的汽化压力：在给定温度下水开始汽化的临界压力。 水的温度 （） 0 5

15、 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 汽化压力 （mH2O) 0.06 0.09 0.12 0.24 0.43 0.72 1.26 2.03 3.18 4.83 7.15 10.33 水在各种温度下的汽化压力值 34/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 1. 机械作用理论 机械作用理论被学界广泛认同： A、冲击压力波模式 空泡溃灭中心辐射出 来的冲击压力波（其值可 达几十甚至几百个大气压） 导致空蚀。 空泡越大，溃灭点距 边壁的距离越近，溃灭能 及冲击压力就越大，对材 料的破坏作用就越大。 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 35/71 中国石油

16、大学（北京） 机械与储运工程学院 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 B、微射流模式 空泡溃灭时形成微射流造成空蚀。空泡溃灭前首先发生变形， 变形程度随压力梯度的增加和距壁面距离的减少而增大；变形导 致了速度很大的微型射流的形成。微型射流速度可以很高，通常 可达100300m/s。学者库克对该射流产生的射流冲击压力进行 了估算（水）： p=1.4VMPa (V射流速度) 若V=200m/sp=280MPa。 该脉冲压力足以破坏材料的晶粒，同时也导致材料的疲劳破坏。 特点：能量集中程度高，作用时间短。 36/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 4.1 4.1 空化与空蚀机理空化与空蚀机理 37/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 38/71 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院 2. 化学作用理论