空蝕
關注創建者：時代參與者 創建時間：2021-01-07
空蝕的視頻教程
空蝕的實例教程
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?；蛞旱螞_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 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”?，F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。
典型的空蝕結構破壞圖：
（a）水槍機葉片空蝕(Brennen, 2011)
（b）水泵誘導輪空蝕(Brennen, 2011)
（c）螺旋槳舵面空蝕 (By Straka W)
不過，空泡潰滅產生的高壓，也可以為人類所用。超聲清洗是最常見的應用方式，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。
展開 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，被稱為“空蝕”或“氣蝕”?，F實生活中能夠體現空泡巨大威力的一個例子來自于水利領域。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。
展開 當壓力下降到飽和壓力以下時，汽車工業中使用的諸如燃油噴射器，燃料泵，閥門和噴嘴之類的濕部件經常出現空化現象。與空化相關的侵蝕，大多數都具有破壞性。因此，在部件的設計階段，需要借助于計算機模擬以快速和準確的方式更好地預測空化并預先判斷潛在的侵蝕區域。預測潛在侵蝕區域所考慮的最重要的物理因素是由于空化氣泡內部足夠靠近材料表面而產生的壓力波的大小。如果作用在材料上的坍塌壓力的大小超過其屈服強度，則它會發生塑性變形。
本文介紹了一種更快的方法捕獲空化現象，使用Fluent進行云脫落和蒸汽結構坍塌。在這里，液相和氣相都被認為是可壓縮流體，并且開發了一種算法來捕獲氣泡坍塌及其大小和發生位置。
1 數值模型
1 Euler-Euler兩相流
使用具有兩個歐拉相（液體和蒸汽）的流體體積法（VOF）的多相模型用于模擬。對于氣相，該等式具有以下形式：
方程（1）
其中α是汽相的體積分數，是蒸汽密度，是氣相的速度矢量，S是凈質量源項。
方程（2）
其中，μ是粘度混合物，ρ是混合物的密度，是蒸汽密度，是液體密度，p是壓力。
2 空化模型
方程（1）中的質量源項S可以寫為：
方程（3）
方程（4）
展開 * 噴嘴內空蝕流
* 噴霧燃燒
* 噴霧傳播
* 氣/油 混合制備
* 壁膜現象
* 點火
* 火焰傳播
* 污染物排放
* 催化劑化學動力學
* 冷卻液沸騰問題
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空蝕的最新內容
空泡的產生和破裂，還會對LNG超低溫球閥形成空蝕破壞，更進一步地，可能還會產生機械振動和噪聲。因此，LNG超低溫球閥在使用過程中，其流量和壓差都不應該太大，以減少空化現象的發生。
4 結語
超低溫球閥輸送LNG介質時，LNG往往會發生空化現象。
關鍵詞：旋轉空化器；水動力學特性；改良葉型；自然空化；數值模擬
0 引 言
空化現象最早發現于船舶螺旋槳上，由該現象所帶來的噪聲、振動和空蝕破壞等負面影響對船舶性能提出了巨大挑戰[1]，如何使空化現象穩定可控，已成為眾多學者關注的問題。根據伯努利方程，當物體在水下以足夠高的速度運動時，其周圍流體的局部壓力會下降，當降至飽和蒸汽壓以下后，流體會發生汽化從而產生空化。
但與此同時，需要控制等離子體的屏蔽效應（等離子體對入射激光能量的屏蔽）；氣泡空蝕效應（空化氣泡潰滅時，形成高溫高速液體射流）。試驗一再表明，該工藝的水冷卻效應（帶走熱量累積，減小熱損傷）是顯著的，使用納秒激光，就有望實現接近零熱影響的孔加工。
圖5.
水泵的一些主要設計挑戰包括流體運動非定常、空蝕、旋轉機械(件)等。STAR-CCM+能夠成功解決這些物理難點，同時使數字設計過程流程化和更加穩健。生成幾何、劃分網格、計算求解、后處理以及優化都可以高效的在STAR-CCM+ 內完成。
另外，在容積增大時，壓力即迅速減少，從而使得輪齒間迅速減壓造成“空蝕”，使齒輪激發出強烈的高頻振動，同時輻射出噪聲。與此同時，高壓油從齒端部高速噴射，射流沖擊齒輪箱箱體也會引發嚙合頻率激勵而產生齒頻噪聲及其倍頻噪聲。
如: 在鋼表面制備致密的鈦涂層, 提高鋼的耐海水腐蝕性能; 在艦船螺旋槳表面制備Ni Ti涂層, 提高螺旋槳的抗空蝕性能。
等離子噴涂是以高溫等離子體為熱源, 將涂層材料融化制備涂層的熱噴涂方法。由于等離子噴涂具有火焰溫度高的特點, 非常適合制備陶瓷涂層, 如Al2O3、Cr2O3涂層, 從而提高基體材料的耐磨、絕緣、耐蝕等性能。
華東院堅持技術創新，攻克了高水頭窄河谷單側大泄量泄洪消能、大單寬流量泄洪洞高速水流空化空蝕、萬噸級大推力弧門結構安全、高強度混凝土溫控防裂等關鍵技術難題。
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?？张轁鐣a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。
例如在含沙水流中，泥沙的作用會加劇泵葉輪的空蝕和磨損[4]。利用仿生學的思想，對具有防磨損的生物外表結構進行逆向工程，并應用到泵設計中，也是非常先進的延長泵使用壽命的思路。
3、AIPump的逆向工程模塊介紹及操作演示
在理想情況下，葉輪是一個旋轉對稱的幾何體，泵葉輪的幾何定義可以分為三部分特征，即前蓋板、后蓋板和葉片。
另外，在容積增大時，壓力即迅速減少，從而使得輪齒間迅速減壓造成“空蝕”，使齒輪激發出強烈的高頻振動，同時輻射出噪聲。與此同時，高壓油從齒端部高速噴射，射流沖擊齒輪箱箱體也會引發嚙合頻率激勵而產生齒頻噪聲及其倍頻噪聲。
