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水力机械空化与空蚀
空化与空蚀是发生于液体作为介质的水力机械中的一种特有现象,而在固体和空气中一般不会发生空化和空蚀。
所以空化与空蚀同样也是反映水轮机、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。
§1-1 空化、空蚀(汽蚀)现象
一、空化现象
这是一种流体力学现象。
临界压力——把给定温度下,液体开始汽化的压力叫做临界压力。(在不同温度下,液体的临界压力是不同的)。
注意:当液体温度一定,而压力降低到相应的临界压力时,也会出现汽化现象,同时溶解于液体中的气体析出,形成空泡(空穴)。
§1-1 空化、空蚀(汽蚀)现象
在某个温度下,压力低到某一值时,液体发生汽化,此压力称为该温度下的汽化压力,一般用pv表示。液体流动过程中,如果某一部位的压力低于某一临界压力(一般情况,该临界压力与水的汽化压力接近)时,溶解于水的气体逸出,形成空泡(空穴),当空泡随水流运动到压力较高的地方时,空泡迅速凝结而溃灭。
§1-1 空化、空蚀(汽蚀)现象
空化:随着压力变化,液流中出现空泡状态(初生、发展、溃灭)及产生一系列物理化学变化称作空化(空穴)。
空蚀:指当空泡的溃灭过程发生于固壁表面,而使材料破坏,即由空化引起的材料破坏(侵蚀)。
空泡的产生与发展取决于液体的状态(温度和压力)以及液体本身的物理性质(所含杂质量及所溶解的气体等)。
§1-1 空化、空蚀(汽蚀)现象
§ 1-1 汽蚀现象
某温度T下→临界压力(Pv一般)→空泡→向高压区移动→溃灭凝结→破坏(疲劳破坏,剥蚀、电化学)→噪音,性能下降。
通过水力机械流道中的液流,如果某个地方的流速增高,必然会引起此处的局部压力下降,当压力降低到当时液流下的临界压力时,这个低压区的液流就会开始汽化——出现空泡(汽泡),空泡随液流运动到较高压力区,由于P↑,汽泡中的蒸气要重新凝结成水,汽泡溃灭。因为体积突然收缩,汽泡原先占有的空间形成真空,于是周围的高压液流质点高速冲近来,将对过流表面产生非常大的瞬间脉冲压力(水锤压力)。同时,在压力增高时,原来从液流中分解出来的小汽泡,在水锤压力的作用下被急剧压缩,直到汽泡的弹性力大雨水锤压力时,汽泡将停止压缩而瞬间膨胀,所以对过流表面又形成另一种水锤压力。
§1-1 空化、空蚀(汽蚀)现象
1-2 空蚀机理

空蚀对过流部件造成的破坏,主要有四种理论:机械作用、电化作用、化学作用和微射流理论。
1)机械作用
在过流表面的某处,随着液流不断流过,空泡不断形成—溃灭—压缩和膨胀,将产生很高的冲击压力。通过高速摄影的圆盘实验观察到,汽泡凝结时间约万分之一秒,水锤压力可以达到几百个甚至几千个大气压,对边壁材料造成破坏。
1°空泡在溃灭过程中产生冲击波,从空泡的中心向外放射时具有和大的冲击力,对材料产生破坏。
2°大的空泡在溃灭过程中会变形,空泡分裂成若干个小空泡的过程中还会产生高速的微射流束,产生很强的冲击力。
在过流边壁的某一个地方,随着液流的不断流过,溃灭的空泡像尖刀一样反复锤打金属边壁(疲劳破坏),金属表面在反复打击下,金属晶格开始破坏—出现裂纹。当压力升高时,高压液流深进金属裂缝,压力突然下降时,缝隙中的液流又吹出来,循环下去造成金属破坏,最终成块脱落——剥蚀。
§ 1-2 空蚀机理
2)化学作用
当空泡被压缩时,由于体积突然缩小,温度要升高放出热量;同时水锤压力对金属表面的冲击也要产生局部高温。当空泡凝结时,局部温度可达到300°C左右,所以在这种高温、高压作用下,又促使了空蚀对金属表面的氧化,这就是化学作用。
3)电化作用
气泡在高温高压作用下产生放电现象,这就是电化作用。因为金属表面被高压液流反复冲击的部位会产生很大热量,温度升高,形成热端,将会与邻近点的非冲击部位(冷端) 构成一个热电耦,在热电耦的回路中产生电势,使金属内部有电流通过,也产生电化腐蚀(电解作用),致金属表面变暗变毛,加速机械破坏作用。
§ 1-2 空蚀机理