[科普中國]-超空化

基本概念空泡

空泡(Cavity)是在液體介質遭到連續(xù)性破壞的基礎上出現(xiàn)的，是壓力降低的結果?；蛘哒f，當液體內某點壓力降低到某個臨界壓力以下時，液體發(fā)生汽化，先是微觀的，然后成為宏觀的小氣泡，爾后在液體內部或液體與固體的交界面上，匯合形成較大的蒸汽與氣體的空腔，稱為空泡?？张莸漠a(chǎn)生、發(fā)展與潰滅過程稱為空化現(xiàn)象(Cavitation Phenomenon)。液體中存在氣核(微小氣泡)和壓力降低是空化發(fā)生的兩個必要條件。

根據(jù)壓力降低的原因，空化可分為兩大類：由于局部速度增大導致壓力降低到I臨界壓力以下而發(fā)生的空化稱為流體動力空化(Hydrodynamic Cavitation)；由于液體中波場的出現(xiàn)而導致壓力降低發(fā)生的空化稱為聲學空化(Acoustic Cavitation)。

空化現(xiàn)象是人們生活中和工程上經(jīng)常觀察到的一種物理現(xiàn)象。例如，液體管道中橫截面積變小處出現(xiàn)的氣泡、橋墩尾流旋渦中的氣泡、螺旋槳葉片升力表面出現(xiàn)的空泡、魚雷高速入水時形成的大空泡以及水壩溢洪流道中產(chǎn)生的大量氣泡等，這些都是空化現(xiàn)象。

空化一詞是在19世紀末開始出現(xiàn)的，據(jù)說是由弗勞德(Froude)提出的。在此之前，歐拉(Euler)、雷諾(Reynolds)等人都曾經(jīng)對旋轉機械中液體的行為問題發(fā)生懷疑，觀察過水力渦輪與船舶螺旋槳的空化現(xiàn)象。1895年巴納比(Barnaby)、帕森斯(Parsons)在分析螺旋槳效率嚴重下降的原因時發(fā)現(xiàn)空泡的影響，并且建立了第一個水洞來研究這個問題。此后，經(jīng)過100多年的努力，逐步加深了對空化問題的認識，取得了許多輝煌的成就。但另一方面，由于空化現(xiàn)象的復雜性，至今仍有一些問題未被完全掌握，有待進一步探索與研究。1

空化狀態(tài)研究水下運動體時，人們首先關心的是運動體是否發(fā)生了空化，以及空化程度如何。物體與液體存在相對運動時的空化狀態(tài)(CavitationState)，可分為：

1)非空化狀態(tài)(Non Cavitation)

非空化狀態(tài)是指運動體附近流場中沒有發(fā)生空泡的狀態(tài)，物體表面處于完全沾濕狀態(tài)(圖1(a))。

2)臨界空化狀態(tài)(Critical Cavitation)

臨界空化狀態(tài)是指在物體附近流場中的最低壓力開始降到液體的蒸汽壓力，流場中的最低壓力點通常位于物面上，物面上的該點開始出現(xiàn)空泡的狀態(tài)(圖1(b))。臨界空化狀態(tài)有時也稱為初生空化狀態(tài)(Initial Cavitation)。

3)局部空化狀態(tài)(Partial Cavitation)

局部空化狀態(tài)是指在物體局部表面上和鄰近液體內部已經(jīng)出現(xiàn)成片的空泡狀態(tài)(圖1(c))。這種狀態(tài)下產(chǎn)生的空泡一般都是或專指附體空泡，稱為局部附體空泡(Partially Attached Cavity)。

4)超空化狀態(tài)(Super-Cavitation)

超空化狀態(tài)是指在整個物體表面上和物體尾端附近的液體中都出現(xiàn)空泡的狀態(tài)。超空化狀態(tài)下(圖1(d))，形成的空泡猶如一個大汽/氣袋，超過物體的尾端，或把整個物體裝于其中，這種空泡稱為超空泡(Supercavity)。1

超空穴超空穴(super-cavitation)，亦即“超空化”?？栈瘏^(qū)長度超過繞流體范圍時的空化。由水流中低壓區(qū)壓力的進一步降低、空化區(qū)范圍不斷發(fā)展而形成。水流中形成超空化后，會加大水流阻力。超空化的空泡潰滅區(qū)遠離結構物，結構物本身不發(fā)生空蝕。工程上利用此特性，對某些結構設計成超空化形式，作為一種減免空化的措施。2

超空穴尺度控制由于超空穴中心最大截面的直徑Dc、空穴總長度Lc等超空穴尺度，與空化數(shù)σ、空化器直徑Dn、空化器阻力系數(shù)Cx都有關系。因此，?？赏ㄟ^改變σ和Cx來控制空穴尺度。

如通過向空穴供氣，增加空穴內通氣壓力Pc，可使空化數(shù)σ減小。考慮到空化數(shù)σ與通氣流量有一定的關系式，用人工通氣方法減小σ值有一極限，即可達到的最小空化數(shù)σmin，即

故通氣空穴中σ的變化有一定范圍，即

通常，在物體運動速度較小(10m/s～100m/s)時，用通氣方法控制超空穴尺度是有效的，而當速度U∞遠大于100m/s時，人工通氣便無意義。

對于用Cx的變化以控制超空穴尺度的方法，如在圓錐體空化器中，因其阻力系數(shù)Cx與圓錐半角β有關，選用不同的β角可使Cx值有很大變化，如圖2所示。對一定的圓錐半角β的空化器，還可改變圓錐體的高度改變Cx值，在圖2中，一個直徑Dn和半角β都不變的圓錐空化器，在套筒內滑動時，阻力系數(shù)Cx值隨x/Dn也會有很大變化。

空化器形狀變化，不僅可產(chǎn)生流體阻力的變化，還可同時產(chǎn)生升力，它對保持物體超空泡運動的穩(wěn)定性有重要意義。對一個與來流傾斜的曲面空化器，如圖3所示，水流對空化器有壓力合力F和力矩M0(M0一般很小)作用。如這些力的作用，使空化器減少攻角α，則該空化器自身是靜穩(wěn)定的，否則是靜不穩(wěn)定。所以，對裝置有空化器的物體來說，為使該物體在超空泡中具有良好的運動穩(wěn)定性，總要求空化器自身是靜穩(wěn)定的。

從圖3所示的受力分析可知，空化器靜穩(wěn)定的條件為

對平面空化器，水流的壓力合力F與平面垂直，此時δ=α，故平面(板)空化器是中性穩(wěn)定的。對曲面空化器，通過計算或經(jīng)驗可知，對著來流為凹面的曲面空化器，δ>α是靜穩(wěn)定的，而對著來流為凸面的空化器，因δ