第5章-空化与空蚀

水利与生态工程学院张强第第55章章空化空蚀空化空蚀主要内容概述空泡动力学基础水工建筑物减免空蚀措施空化与空蚀的物理模拟与原型观测空蚀破坏程度的度量与空蚀破坏机理一、概述1、有关空化空蚀的概念当液体在恒压下加热，或在恒温下用静力或动力方法减压，到一定的时候就会有蒸气气泡或充满气体与蒸气的空泡出现并发育生长。液体在恒压下加热而在其内部形成汽相的物理现象称为沸腾，液体在温度基本不变的条件下由压力下降形成汽相的过程称为空化。液体流经的局部区域，若其压强低于某一临界值，液体也会发生空化。在低压区空化的水流挟带着大量的空泡形成两相流，而在水流流经下游压强较高的区域时，空泡又将溃灭，因此空化现象包括空泡的发生、发育和溃灭，其为一非恒定过程。空泡溃灭的过程中将会产生极大的压强，其值可高达几千个大气压。当空泡的溃灭出现在紧靠边壁或距边壁某一距离范围内，固体边壁将受到持续不断地冲击作用，造成材料的断裂或疲劳破坏而发生剥蚀，这种现象叫空蚀。剥蚀掉的材料颗粒或碎屑被水流冲走以后，固壁表面将形成凹坑。对于混凝土与岩石构成的固壁，随着空蚀坑深度的增加，水流将对材料产生直接的动力作用，使其受到进一步的破坏，从而直接影响到建筑物的寿命，甚至造成整个建筑物破坏。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。橡皮、塑料、玻璃及其他非金属材料也同样容易遭受空蚀破坏。目前的空蚀现象不仅出现在螺旋桨、水力机械及水工建筑物上，而且出现在闸门、管道、油泵和蒸气透平等设备上，甚至在国防工业的鱼雷、潜艇等深水中运动的物体上也存在空蚀现象。空蚀问题的研究是流体力学中的一个重要课题，现已深入到了解空化的初生、发育、成长和溃灭的过程，深入到对溃灭时冲击力的计算以及材料的破坏机理等问题的探讨中，其研究涉及面有：水利水电工程中的泄水建筑物；舰船工程中的螺旋桨与船体；机电工程中的水轮机与水泵；航天工程中的导弹与火箭；水下兵器中的鱼雷和水下发射体以及核工程；石油工程与冶金工程等一切与液体高速运动有关的工程，都存在空化与空蚀问题。不同专业的研究成果相互借鉴，促进了空化空蚀研究的发展。2、泄水建筑物空蚀实例国内外水利水电工程中的泄水建筑物因受空蚀而损坏的例子很多，有许多专著或论文专门叙述并收集了大量实例。国内比较典型的空蚀破坏实例有：丰满水电站溢流坝面的空蚀破坏；刘家峡水电站泄水道门槽及其主轨的空蚀破坏；陆水蒲圻水利枢纽与盐锅峡水电站消能设旋的空蚀破坏及柘溪水电站溢流坝挑流鼻坎的空蚀破坏。通过对遭受空蚀破坏的几个泄洪洞典型实例的分析表明，泄洪洞发生空蚀破坏具有如下特点：(1)水头高。从94～155m之间；(2)流速大。从38～49m／s之间；(3)发生空蚀时的实际泄流量大多没有达到设计流量；(4)水流空化数（气穴数）很低，均小于0.15；(5)破坏范围大，破坏区长度在27～50m之间，深度2～14m之间。造成泄水建筑物空蚀破坏的原因是多方面的，有设计方面的原因，也有施工方面的原因，甚至还有运行管理方面的原因。因此，要减免与防止空蚀破坏，在设计、施工和管理等多个环节应共同努力。3、空化的分类空化的初生与发展既与液体的条件(如液体中固体或气体介质的含量等)有关，也与空化区的压力场有关。对空化现象进行分类，既可依据空化发生的环境，也可依据空化的主要物理特性，美国的Knapp等人综合此两种分类方法将空化分为以下四种类型。(1)游移空化游移空化是一种由单个瞬态空泡形成的空化现象。这种空泡在液体中形成后，随液流运动并形成若干次膨胀、收缩的过程，最后溃灭消失。游移空化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。(2)固定空化固定空化是初生空化后而形成的一种状态。当水流从绕流体或过流固体壁面脱流后，形成附着在边界上的空腔或空穴。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。(3)漩涡空化在液体漩涡中，涡中心压强最低，如该压强低于其临界压强，就会形成漩涡空化。与游移空化相比，漩涡空穴的寿命可能更长，因为漩涡一旦形成，即使液体运动到压强较高的区域，其角动量也会延长空穴的寿命。漩涡空化最早发现于螺旋桨叶梢附近(即梢涡空化)。水工建筑物的平板闸门槽、消力池中的趾坝以及消力墩下游都有可能出现漩涡空化。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。(4)振荡空化振荡空化是一种无主流空化，其特点是一般发生在不流动的液体中。在这种空化中，造成空穴生长或溃灭的作用力是液体所受的一系列连续的高频压强脉动。这种高频压强脉动既可由潜没在液体中的物体表面振动(如磁致振荡仪)形成，也可由专门设计的传感器来实现，但高频压强脉动的幅值必须足够大，以至于局部液体中的压强低于临界压强，否则不会形成空化。振荡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；而在振荡空化中，虽然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、空化的影响空化现象所造成的影响主要有：(1)造成建筑物表面的空蚀破坏。(2)改变液体的动力学特性。空化对液体动力学特性的影响起源于空穴形成后液相的连续性被破坏，使得液体运动表现为两相流，从而使液体和其固体边界之间的相互作用发生变化。空化的出现会导致液体运动阻力的变化。除漩涡空化外，在多数情况下空化的出现会导致水流运动总阻力的增加。但是，在空化发展的早期也可能使阻力有显著的减少。(3)引起结构物振动。由于空化过程中可能包含强烈的脉动力，加上空化本身的随机性，因此有可能引起结构物振动。(4)产生噪声。虽然在整个空化过程中均有噪声产生，但其中相当大的噪声是由空穴的溃灭产生的。空化噪声的存在，使人们有可能用声学的方法探测到空化的发生。“空化”虽然可能造成上述危害，但只要对其加以控制和利用，还是可以为人们服务的。空化可用于混合牛奶和工业清洗。还可利用空化的剥蚀作用(空蚀)，有控制地切割边界，清洗机械零部件、清洗口腔坏牙。我国已开始利用空化的剥蚀作用进行船舶的水下除锈工作。此外，利用空化发出的噪声还可以作为回声探测仪的声源等。5、水轮机空蚀的类型按空蚀发生的部位，水轮机空蚀分为以下四种类型：（1）翼型空蚀。它是指发生在转轮叶片上的空蚀，混流式水轮机的叶型空蚀主要发生在叶片背面靠下环处的泄水边附近；轴流式水轮机则主要发生在泄水边轮毂和周边附近，但有时比较分散，不像混流式机型那样有规律。（2）空腔空蚀。是指尾水管中心空腔处由大的水流涡带产生的空蚀。当反击式水轮机偏离设计工况运行时，转轮出口水流具有一定的圆周分速度，旋转的水流汇聚在一起，在尾水管进口处构成带状大涡流。水流涡带中心直空度很大，当压力降低到低于水的空化压力时，首先在涡带中心产生汽泡，随着汽泡的溃裂，发生强烈噪声并引起机组振动。当涡带中心周期性地触及或延伸到尾水管管璧时，就会造成尾水管空蚀破坏。空腔空蚀主要发生在叶片出口下环处及尾水管进口处，运行人员可以直接在尾水管直锥段管壁听到空腔空蚀引起的撞击声。发生空腔空蚀时，往往伴随着发生机组功率摆动和真空表指针摆动，严重时会使机组不能正常运行。（3）间隙空蚀。它是指水流通过狭窄间隙或绕过固体凹凸表面时，由于流速局部升高引起局部压力降低形成的空蚀。常发生在水轮机的某些局部位置，例如轴流式叶片外缘端面与转轮室内壁间隙，导叶立面和端面间隙；混流式转轮和上下冠止漏环间隙；冲击式的针阀和喷嘴口等处。间隙空蚀的破坏范围一般较小。（4）其他局部脱流引起的空蚀。在水轮机导叶叶型头部和尾部，导叶体端部与轴经接合处的凸肩后面、限位销后面、尾水管补气架后面等部位，由于表面粗糙或已空蚀部位的恶性发展，都会引起局部脱流而发生空蚀。6、空蚀减免措施减免泄水建筑物空蚀破坏的方法可归结为以下几条：(1)选用合理的过流边壁体型；(2)改进施工工艺，提高过流边壁的平整度；(3)选用抗蚀性能较强的材料；(4)掺气减蚀。二、空泡动力学基础如前所述，空化是水流在常温下当局部压强降低到临界值以下水体内部剧烈产生气泡的现象。而空蚀则是在发生空化的条件消失(外部压强升高)后，因壁面附近的空泡破裂与溃灭所导致的材料损坏与剥蚀的现象，也即，空蚀是空化的后果。要深入了解空蚀，首先就必须深入了解空化过程中空泡的形成与发展。1、气核形成理论经过特殊处理的纯水可以承受很大的拉应力，而自然界中的水所能承受的拉应力却是很小的，其原因在于水中存在很多含有气体或蒸气的小气泡及固体微粒等异相介质，因而大大降低了水的抗拉强度，导致水体很容易被拉断而出现空化现象。水体中所含的小气泡称为气核或空化核，气核的存在是形成空化的基础。水体中所含的气核可分为表面气核与流动气核两种。流动气核随水流一起运动。其尺寸一般很小，通常其直径大约为10-5～10-3cm，人的肉眼一般看不见。流动气核在水中的分布也不均匀，常用分布曲线(核谱)来表示其分布特性。尺寸较大的气核在浮力的作用下将浮向水面而消失，而尺寸较小的气核内部则承受很大的压强，以至于其内的气体因受压而被周围的水体所吸收。表面气核是水中固体颗粒或绕流物体表面缝隙中未被溶解的一些气体，而这些固体表面是疏水性的，使得在缝隙中的气体形成一个凹面的自由表面。2、空泡的发育研究观察表明，空泡在膨胀发育过程中，基本是稳定的；而在馈灭过程中则是不稳定的。球形空泡的变形有两类：一类为空泡形状在某些边界的影响和压力梯度条件下发生扁化，甚至形成中心凹入形状，空泡尺寸越小形状越偏离球形，周围液体以射流形式进入和穿过凹区，空泡自身好象是要由里向外翻转；另一类为空泡表面平整程度的变化，经过回弹再生的空泡常有粗糙不规则的外貌，这可能是出于交界面不稳定所致。当外压强降低时，空泡的半径只有缓慢的增加，而当达到M点后，在压强不再降低的情况下，空泡半径反而急速地膨胀，这就是空化的初生。因此。M点可认为是发生空化的临界点。将临界点相应的压强及空泡半径称为临界压强pe。及临界空泡半径Re。3、球形空泡的稳定性如果扰动幅值随时间是衰减的，则空泡运动是稳定的，与此相反，如果扰动幅值随时间增长，则空泡运动是不稳定的。从定性上来看，表面张力并不影响空泡的稳定性。由此可以认为，在球形空泡的压缩过程中，只有当空泡尺度足够大时其运动才是稳定的；而当空泡尺度被压缩至足够小后，其扰动幅值将快速增长，从而导致空泡运动失稳。3、空泡的溃灭空泡在溃灭的最后阶段其运动颇为复杂，但在其溃灭的初始阶段则可近似认为空泡仍呈球状，且其内爆过程是球对称的。Knapp利用高速摄影测定空泡直径，其实验成果如下图所示。由于空泡的直径、压强是随时间变化的，为对比起见，图中还给出了空泡直径随溃灭时间变化的计算成果。由图中可知，两者基本一致，尤其是在空泡溃灭的初期。根据高速摄影对单个空泡溃灭过程的观察，空泡馈灭的可能模式如下图所示。根据前述的空泡馈灭过程，许多学者认为微射流冲击壁面是造成壁面空蚀破坏的主要原因。研究还发现，只有当空泡距壁面在一定距离范围内时，微射流的破坏作用力才是主要的，这个范围以外冲击波的破坏作用逐渐加强。远离这个范围一定距离后，壁面的破坏将以冲击波为主。当游移型空泡馈灭时，固体壁面上会受到极大的冲击压强。据报道，由计算确定的球形空泡溃灭时，在边壁上造成的压强可高达12000多个工程大气压，而实测记录为7750个工程大气压。由于所研究的问题及情况的差异，不同作者计算出的空泡馈灭压强有所不同。用高速摄影研究近壁处单个空泡馈灭时空泡变形的资料表明，微射流的速度为130～170m／s。数值模拟计算表明，游移型空泡溃灭时微射流的冲击压力可高达691000kN／m2；微射流的直径约为2～3μm，空蚀坑直径约为2～20μm；在lcm2的面积上，边壁受到的射流冲击频率约为100～1000Hz。冲击脉冲的作用时间每次只有几微秒。这样高的射流速度所产生的冲击力足以使材料发生空蚀破坏。