潰滅的案例
用9億網格模擬近壁面空泡潰滅過程：空泡，空泡潰滅！（轉載）
下圖是胡佛水壩的泄洪通道，泄洪時的高速水流會產生巨大的負壓區和大量的空泡，空泡潰滅在洞壁處挖了一個巨大的洞（紅色箭頭所指的是洞口，洞旁紅圈所圍住的白色部分是一個工作人員）。
圖6 胡佛水壩溢洪道由于空蝕形成的大洞 (圖片來源：參考文獻[3])
另一個例子是水翼、螺旋槳、水輪機葉片。由于高速運轉，在物體表面的低壓區也會產生大量的空泡。空泡潰滅會產生局部高能沖擊載荷進而誘導表面的空蝕破壞（如下圖），而壓力脈沖的累積效應也能夠誘發強烈的振動、噪聲等問題。螺旋槳空泡噪聲是潛艇隱蔽性中的重要問題。因此，在高速水動力學領域，空泡潰滅可以說是工程應用中的頭號敵人。
圖7 水輪機葉片典型的空蝕結構破壞圖 (圖片來源：參考文獻[4])
圖8 用9億網格模擬近壁面空泡潰滅過程 （圖片來源：參考文獻[5]）
破壞大王空泡也可以為人類所用
雖然空泡潰滅具有強大的破壞力，但只要加以正確的引導，其潰滅產生的能量也可以為人類所用。
超聲清洗是空泡潰滅最常見的應用方式。我們洗眼鏡用到的超聲清洗機、刷牙時用的聲波震動式電動牙刷，都是用超聲波的方式在水中產生大量小空泡，利用空泡潰滅的壓力來剝落污垢的。目前，空泡潰滅的原理在醫學領域已廣泛用于碎石（下圖）、吸脂、殺菌、造影、藥物輸運、溶栓治療等等，甚至是美容領域（下圖）等等。超聲臉部美容儀不僅具有清潔皮膚作用，產生微細的按摩作用，可以改善臉部的血液循環功能，提高新陳代謝，是“乘風波浪的姐姐和哥哥們”的不二之選。
圖9 超聲波在美容領域的應用：清潔皮膚、緊致去皺、瘦身瘦面等（圖片來源：veer圖庫）
另一方面，通過對自然界中“自帶空泡武器”生物的研究，極大地促進了相關工程領域的研究進展。比如，基于雀尾螳螂蝦的“蝦光原理”，我們成功打造了激波等離子體裝置，可以有效攻擊目標結構。
展開 神奇的泡泡---空泡
氣泡的運動行為主要由壓力控制，外部高壓作用下，氣泡會產生強烈的坍縮潰滅。這種潰滅能夠將整個氣泡的勢能集中于一個非常小的點上，能量密度非常高，據計算溫度高達幾萬攝氏度以上，甚至產生光和聚變，即聲致發光（sonoluminesence）和聲致聚變（Sonofusion）現象。如下圖中，氣泡潰滅過程中，形成了高速的指向壁面射流，產生了巨大的沖擊作用。
單氣泡貼近壁面潰滅與射流(By Li S C)
單個氣泡雖小，累積起來的威力是非常巨大的，會對結構產生明顯的剝蝕破壞，稱為“空蝕”或“氣蝕”。現實生活中一個能夠體現空泡巨大威力的例子來自于水利領域。下圖是胡佛水壩的泄洪通道，高速水流產生巨大的負壓區和大量的空泡，空泡潰滅在洞壁處挖了一個巨大的洞（紅色箭頭所指的是洞口，洞旁紅圈所圍住的白色部分是一個工作人員）。
胡佛水壩溢洪道由于空蝕形成的大洞 (By Farvey 1990)
為了避免這一問題，工程師通常采取“摻氣減蝕”的辦法，即通過專門的通路將外部不可凝結的空氣通入到水蒸氣空泡內部。潰滅過程中這部分摻進來的空氣只會被壓縮不會像水蒸氣一樣凝結相變，從而就像在空泡了增加了“彈簧”、“氣墊”一樣，減弱了潰滅的壓力，保護了結構的完整性。
在水翼、螺旋槳、水輪機葉片等所處的流場中，也會產生大量的空泡，空泡潰滅產生局部高能沖擊載荷進而誘導表面的空蝕破壞（如下圖），而壓力脈沖的累積效應也能夠誘發強烈的振動、噪聲等問題。日本H2火箭由于非穩態空泡引起了軸流泵誘導輪的振動破壞，最終導致了發射失敗，類似的空泡誘導振動問題在美國的火箭設計中也屢次被報道。螺旋槳空泡噪聲也是潛艇隱蔽性中的重要問題。因此，在高速水動力學領域，空泡潰滅可以說是工程應用中的頭號敵人。如下圖均為典型的空蝕結構破壞圖。
展開 GB/T151氣液混合物為何要設置防沖板？
氣泡隨著液體流動，進入超過臨界壓力或者碰撞材料表面時，氣泡潰滅。潰滅的過程是極短的，對壁面產生液壓沖擊、機械力并伴有高溫，長期作用使壁面形成破壞區，一旦流體中存在腐蝕介質，材料將發生加速侵蝕。
氣泡大小、形狀、潰滅特性、氣相濃度、體積分率等，都會影響氣泡顆粒對材料的腐蝕。氣泡的沖擊會造成材料表面出現凹凸不平的潰滅點坑，是材料腐蝕的起始誘因。
當材料表面受到連續不斷由氣泡潰滅產生的沖擊作用時，將會導致材料疲勞失效，而流體的流動沖刷材料表面的保護膜，形成一系列點坑。
造成氣泡沖刷腐蝕破壞的機理主要有兩個：
一、沖擊波理論，該理論認為空泡腐蝕是由于流體在氣泡潰滅時所形成的沖擊波將其所產生的巨大壓強作用到材料壁面，造成腐蝕破壞。沖擊波傳遞到壁面會產生脈沖應力，產生局部塑性變形失效，經氣泡的連續沖擊最終導致材料破壞。
二、微射流理論，該理論認為，靠近固體表面的氣泡，在受到壓力收縮潰滅時，在氣泡的爆破點處，將推動一束液體流沖向表面，引起金屬表面膜的破壞和金屬的塑性變形。此外，氣泡潰滅的瞬間，具有很高的壓力和溫度，其爆破中心處產生的沖擊波能直接破壞材料表面，使其熔化。
展開 一掌拍出人造太陽，擊碎啤酒瓶
但很快，毫秒甚至更短，水下落，底部壓力升高，水蒸氣變回液體，空泡瞬間潰滅。空泡潰滅威力巨大，理論推演將產生速度4000m/s的微激波和微射流，并伴隨6000兆帕的高壓及堪比太陽表面的5000K高溫。
這意味著，你一掌下去，就拍出了 個人造太陽，因此啤酒瓶扛不住碎掉也是情理之中了。
前述我們說的瓶中液體一直都是水，那如果把液體換成啤酒呢？用和之前敲碎瓶子一樣的力量，猛烈一擊，啤酒劇烈噴發，但酒瓶卻毫發無損，這又是為什么呢？
水空化形成的氣泡內主要是水蒸氣，而啤酒里溶有大量二氧化碳，敲擊后底部產生的氣泡內不再僅是水蒸氣，而是充斥著從酒中析出的二氧化碳，這樣即使酒下落，底部壓力升高，水蒸氣液化成水，泡內還有二氧化碳存在，減緩了氣泡收縮，氣泡潰滅力量便被削弱了。并且還有部分氣泡根本沒有潰滅，而是吸入更多二氧化碳后和啤酒一起噴出瓶外。所以我用同樣的力量敲，自然敲不碎裝有啤酒的瓶了。
雖然啤酒中的空泡潰滅力量弱了點兒，但這潰滅力量還是在的，所以找個壯士用錘更大力地敲，也還是可以敲碎的。
總結一下，空瓶拍不碎，瓶中裝啤酒比較難拍碎，裝水才容易碎。這其中的原理，我說了這么多，想必大家都懂了吧。那么下次聚會時，你就可以炫技三連：
先拍個蘑菇云，然后幾秒鐘炫進瓶中酒，最后加點兒水，有勁兒用手，沒勁兒用錘，碎它個晶光燦爛。這波連續操作，量別人再也玩不出啥新花樣，即使狠人朋友在場也無懈可擊。Are you sure ？
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流體力學現象之-“空蝕”
隨后，當氣泡流動到液體壓力超過氣泡壓力的地方時，氣泡便潰滅，在潰滅瞬時產生極大的沖擊力和高溫。固體表面經受這種沖擊力的多次反復作用，材料發生疲勞脫落，使表面出現小凹坑，進而發展成海綿狀。嚴重的其實可在表面形成大片的凹坑，深度可達20mm。空蝕的程度以空蝕強度來衡量。空蝕強度常用單位時間內材料的減重、減容、穿孔數和表面粗糙度變化作為特征量。
輪表面空蝕后的凹坑
因空蝕而嚴重損壞的葉輪
空蝕過程分為幾個階段：最初只有材料表面的變形或少量減重，形成空蝕潛伏區，然后單位時間的減重突然增大，形成空蝕加速區，過些時間后，單位時同的減重慢慢減小，形成空蝕減速區；最后，單位時間的減重基本不變，形成空蝕穩定區。因為液體和材料的性質不同，上述各個階段中的變化也有差異。
空蝕是空化的后果，但并非所有空化都造成材料的損壞，只有不穩定的空化，如不定常流動中出現的空化或封閉空泡的尾端，才會引起空蝕。因此，空蝕往往出現在物體的局部區域。空蝕的機理與材料受固體微粒或液滴沖擊而損壞是不同的。為消除和減輕空蝕損壞，運動部件應在盡可能穩定的條件下運轉。消極的辦法是在可能發生空蝕的部位涂上或包上彈性強的材料，或注入氣體以吸收空泡潰滅所輻射的能量，也可用化學防腐方法來減輕空蝕過程的腐蝕作用。
展開 汽蝕現象——從牛奶均質談起
圖9是蒸汽氣泡由于壓力升高而潰滅時形成的對壁面的沖擊射流的示意圖。這種沖擊帶來的循環應力往往導致零件表面疲勞破壞（圖10）。因此，工程上在很多情況下總是希望避免汽蝕的發生。有研究表明，氣泡潰滅時形成的沖擊射流，能在固體壁面上產生高達109Pa量級的壓強[3]。甚至魚類的游動速度也受到汽蝕現象的限制而不能過高[4]，否則氣泡潰滅時的沖擊射流會對其身體表面造成損傷。
圖9 氣泡潰滅時形成對壁面的沖擊射流。
圖10 水輪機葉輪被汽蝕破壞的情況。（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Cavitation）
但是，任何事物都具有兩面性。有時候，我們又希望利用汽蝕。例如在文章開頭提到的牛奶均質閥中，我們就是利用汽蝕產生的沖擊來打碎牛奶的脂肪顆粒，達到均質的目的。超聲清洗機也是利用汽蝕產生的沖擊來清洗掉物體的表面的污跡的。此外，人們還利用汽蝕壅塞現象來實現流量控制的目的，這就是汽蝕文氏管（圖11）。對比圖11和圖5可以看出，圖11的汽蝕文氏管采用了較緩的收縮和擴張（特別是擴張段，擴張角僅為6°），而不像圖5的噴嘴那樣采用突然收縮和突然擴張。汽蝕文氏管由于采用了很小的擴張角，這樣流體在擴張段流動的時候，不發生流動分離，靜壓會有顯著的增加，因此，只要汽蝕文氏管的出口壓力比入口壓力稍稍低一點，其喉部壓力就可以降低到液體的蒸汽壓以下，發生汽蝕壅塞（而不像噴嘴那樣，必須在出口壓力顯著低于入口壓力時才壅塞）。圖12是圖11的汽蝕文氏管的流量-壓降關系曲線（數值模擬結果）。圖13是相應的壓力云圖和蒸汽體積分數云圖。計算所用的條件：入口壓力固定為5MPa，入口溫度為300K，工質是水。與圖7一樣，紅色加號是考慮汽蝕效應而算出的流量，綠色曲線是根據未壅塞的數據點擬合的。
展開 離心泵汽蝕現象及解決方案
一、汽蝕現象
由于葉輪葉片入口附近液體壓力小于或等于液體輸送溫度下的飽和蒸汽壓力時，液體就汽化，同時還可能有溶解在液體內的氣體逸出，形成大量氣泡，氣泡隨液體流到葉道內壓力較高處時又瞬時凝結潰滅。
在氣泡凝結潰滅的瞬間，氣泡周圍的液體迅速沖入氣泡凝失形成的空穴，形成強大的局部高頻高壓水擊，金屬表面因疲勞而產生剝蝕。
同時,由于活潑氣體（如氧氣）的存在以及氣泡凝結時產生的局部高溫，導致金屬表面發生電化學腐蝕。上述這一過程稱為汽蝕現象。
二、影響汽蝕的因素
影響液體壓力和飽和蒸汽壓力的因素都會影響汽蝕的發生。
影響的因素：
（1）泵進口的結構參數：包括葉輪吸入口的形狀、葉片入口邊寬度及葉片進口邊的位置和前蓋板形狀等。
（2）泵的操作條件：它包括泵的流量、揚程及轉速等。
（3）泵的安裝位置：它包括泵的吸入管路水力損失及安裝高度。
（4）環境因素：它包括泵安裝地點的大氣壓力。
（5）影響的因素，它包括介質本身的性質及介質操作溫度。
三、解決離心泵汽蝕問題的幾個方案
（1）改進泵入口的結構參數
這一方案適于在離心泵的設計制造階段，該方法在生產現場很少采用。
（2）在泵的吸入口加裝誘導輪
加裝誘導輪，對提高離心泵的抗汽蝕性能，解決汽蝕問題，效果很顯著。
展開 壞泡泡——螺旋槳梢渦空泡的數值模擬
由此所產生的空泡因前后壓力變化比較緩和，單個空泡的成長清晰可見，有時可以成長到相當尺度，被水流帶向下游時尺寸減小，并發生潰滅、再生、再潰滅、直至消失。這種空泡對螺旋槳的性能影響不大，但對槳葉材料有剝蝕作用。
▲ 泡狀空泡
片狀空泡。
片狀空泡通常在槳葉外外半徑部分導邊附近產生，呈膜片狀，長度不一。在攻角較大時最易產生這類空泡。因為這時導邊附近的負壓很高，空泡急劇產生，肉眼已見不到其成長過程，似在導邊附近陡然發生空穴，水在其外側流過。
若空泡從葉切面導邊一直延伸至隨邊以外，即葉切面全部為空泡所覆蓋，則形成所謂超空泡流動；有時也起于葉切面導邊而在隨邊之前結束，則形成所謂局部空泡。前者影響螺旋槳的性能而無剝蝕作用；后者對螺旋槳有剝蝕作用。片狀空泡通常用來描繪厚度較薄、定常或準定常的空泡。
▲ 片狀空泡
云霧狀空泡。
螺旋槳在不均勻流場中工作時，槳葉切面的工作狀態發生周期性變化。當攻角大時，發生空泡，而攻角小時，空泡從切面導邊向隨邊流去，在隨邊附近破裂而消失，這種攻角時大時小的變化，使空泡周期性地產生和消失，對螺旋槳材料的剝蝕最為嚴重。這種周期性變化的空泡時現時隱，消失時被水流沖向后方形成云霧狀，故稱云霧狀空泡。
▲ 云霧狀空泡
梢渦空泡模擬
幾何模型
以INSEAN E779A螺旋槳為研究對象，計算其水動力性能及空泡性能。在螺旋槳梢渦空泡數值模擬研究中，E779A槳是使用頻率最高的槳型之一，其幾何形狀如下圖所示。
展開 論文推薦 | 基于泵噴整流機理的螺旋槳空化抑制研究
空化現象產生的空化氣泡隨著水流進行運動, 當遇到高壓區或障礙物后會產生潰滅, 其特殊的內爆特性使其潰滅時產生巨大的能量。空化氣泡的潰滅會對水下螺旋槳推進器產生一系列的危害, 比如導致螺旋槳加速腐蝕、加劇推進器的振動、提高水動力噪聲等。
溫亮軍[7]和齊江輝[8]等通過改變槳葉側斜、縱傾角以及槳葉剖面等參數來研究螺旋槳空化性能, 發現通過優化設計槳葉剖面可以有效減少槳葉的空泡面積, 提高螺旋槳抗空化能力。李生[9]和彭云龍[10]等分別對帶有前置或后置定子的螺旋槳所建立的空化模型進行空化特性數值分析, 發現空化數小于3時, 空化區域將快速擴散到整個槳葉面, 螺旋槳的推進效率逐漸降低。有學者利用大型空化水槽對螺旋槳空化噪聲的預測方法進行研究, 實驗驗證了標度法可有效預測螺旋槳空化噪聲[11-13]。Yilmaz等[14]利用自適應網格法對名為The Princess Royal的船用螺旋槳葉尖渦空化起始和消失進行研究, 采用計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)方法, 針對特定參數的螺旋槳進行空化試驗以驗證仿真數據的準確性, 但并未對空化起因與抑制空化方法進行深入研究。以上研究的出發點均基于研究螺旋槳參數特性來優化水動力性能, 以達到抑制空化的目的, 抑制效果不理想。
空化氣泡從產生到潰滅的時間很短, 在復雜流場結構中很難清楚地觀察到流場內部情況, 使得螺旋槳的空化流場結構及空化氣泡的動力學性能存在盲區。CFD是一種以計算機計算為基礎, 對流體傳質傳熱等現象進行分析的方法[15-17]。
展開 [問題討論]Fluent的基于密度和基于壓力求解方法淺析
專門應用于基于壓力方法的情況：
1空化模型（液體內局部壓力降低時，液體內部或液固交界面上蒸氣或氣體的空穴（空泡）的形成、發展和潰滅的過程。）
2VOF模型
3多相混合模型
4歐拉多相流模型
5非預混燃燒模型
6預混燃燒模型
7部分預混燃燒模型
8組成PDF運輸模式
9煤煙模型
10羅斯藍底輻射模型
11融化凝固模型
12外殼傳導模型
13浮動操作壓力
14多孔介質的物理速度模型
15指定周期性流動流向的質量流率
專門應用于基于密度方法的情況
1真實的氣體模型（用戶自定義）
2非反射邊界條件
3濕蒸汽的多相流模型
本文轉自網絡，感謝原作者。
對文章中具體內容感興趣或者對使用CATIA幾何建模，ANSYS ICEM網格生成，Pointwise軟件使用方法，ANSYS Fluent軟件，CFD++軟件，STARCCM軟件及開源軟件SU2軟件感興趣的讀者可以關注技術鄰賬號：Oler或添加作者QQ3116264744。
展開 LS-DYNA | 水下爆炸氣泡脈動過程 ￥135
受流體內壓力不均的影響，最終會氣泡射流，破壞氣泡完整性而潰滅。
對氣泡射流的研究是水下爆炸重要的研究課題。在數值計算中可通過設置靜水壓力沿水深梯度變化的方法來模擬靜水壓環境，在LS-DYNA中可采用*INITIAL_HYDROSTATIC_ALE關鍵字完成靜水壓力的設置。
圖 水下氣泡脈動及壓力釋放過程
----------張思遠，王志強等《水下針-板放電氣泡脈動及沖擊特性》
計算模型
采用二維ALE算法建立軸對稱數值計算模型。計算模型寬為10m，高為10m，其中上部分為空氣（3m），下部分為水（7m），通過體積填充的方式在水下5m處填充球形TNT藥包（半徑為2cm）。采用*INITIAL_HYDROSTATIC_ALE關鍵字施加由重力引起的靜水壓力梯度。
圖 計算模型
計算結果
通過計算最終得到了球形TNT藥包在水下5m處起爆后，前1.5個周期內氣泡脈動以及氣泡形狀的演變過程，如下圖所示。
圖 氣泡形狀變化
小結與思考
（1）氣泡脈動過程的模擬具有較高的網格尺寸敏感性，
（2）采用二維軸對稱模型能夠降低網格數量，且能實現很好的計算結果；
（2）另外*ALE_AMBIENT_HYDROSTATIC也能實現靜水壓力梯度設置。
模型K文件、建模視頻及講解文檔見付費內容，謝謝支持！
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基于Abaqus的水下爆炸仿真
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展開 2025大賽優秀作品 | 基于Ansys Fluent的電子膨脹閥空化特性數值與實驗研究
但在小開度下，制冷劑流經電子膨脹閥時會因節流產生兩相流，氣相的形成與潰滅會產生噪聲。本研究通過 Ansys Fluent 數值分析，探究不同開度下制冷劑進入閥內的空化特性，以闡明電子膨脹閥流動誘導噪聲的產生原因。為此設計了帶閥芯凹槽結構的電子膨脹閥，并對閥門流動噪聲進行實驗對比分析。結果表明：隨閥開度增大，制冷劑流量、氣相比例和湍動能均減小；相同工況下，優化模型的最大噪聲水平較原模型降低 10.3%，顯著低于原模型的最大峰值。
挑戰/需求
作者所在機構希望通過仿真工具探究電子膨脹閥不同開度下制冷劑的空化特性，靈活更改閥開度及閥芯結構，模擬開度和結構變化后空化現象、流量、氣相比例、湍動能及流動噪聲的變化；仿真結果需與實驗結果相近，從而為電子膨脹閥的結構優化和降噪設計節約時間與成本。
使用工具
Ansys Fluent
最終成果
優化設計的電子膨脹閥閥針造型，可以使電子膨脹閥工作過程中最大噪聲水平顯著降低
該研究利用 Ansys Fluent 完成了不同開度下電子膨脹閥內制冷劑空化特性的數值模擬，結合實驗對比分析，明確了開度對流量、氣相比例、湍動能及噪聲的影響規律；設計出帶閥芯凹槽的優化模型，其最大噪聲水平較原模型降低 10.3%，獲得了空化與噪聲關聯的可靠數據，為電子膨脹閥降噪設計提供了依據。
參賽作品一覽
展開 圖文講解離心泵的氣縛和氣蝕
其空泡形成和潰滅多發生在葉片的正面和背面或前輪盤內表面處以及葉片的根部。
（2）
間隙汽蝕：
間隙氣蝕泵內水流通過突然變窄的間隙時，速度增加，局部壓力下降，也會產生汽蝕。如軸流泵葉片外緣及泵殼之間的間隙內，離心泵密封環與葉輪外緣的間隙處，由于葉輪進水側與出水側的壓蓋很大，導致高速回流，造成局部壓降，引起間隙汽蝕(公眾號:泵管家)。
（3）
渦帶汽蝕：
渦帶氣蝕由于集水池，進水流道設計不良或水泵在非設計條件下工作，也可能在葉輪的下方產生自上而下的帶狀漩渦（簡稱渦帶），當渦帶中心壓力低于汽化壓力時，該渦帶即成為汽蝕帶。
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