空泡潰滅的案例
用9億網格模擬近壁面空泡潰滅過程：空泡，空泡潰滅！（轉載）
據計算，潰滅時溫度能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。
在潰滅過程中，高速射流和高壓沖擊波是最主要破壞手段。空化產生的球形空泡，在高壓環境中，被壓縮成非球形。在此過程中產生了非常高的沖擊速度，誘導沖擊波產生。這種過高的速度對壁面會引起腐蝕作用。
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”。現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。
展開 神奇的泡泡---空泡
例如，水中高速航行的物體，表面局部壓力會變得很低；超聲波、沖擊波、激光等也都有可能導致低壓，從而誘導空泡的產生。前面提到的手槍蝦，就是通過將巨螯迅速閉合，噴出超過30m/s的高速射流，射流附近壓力降低，從而誘導產生空泡。
空泡有很多種形態，最常見的就是物體表面的獨立的氣泡或者小氣泡構成的氣泡群，泡內的主要成分是水蒸氣。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。
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 ？
展開 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。
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教你用特斯拉閥做出“人造太陽”
而空泡潰滅時，會產生堪比太陽表面的5000K高溫以及6000兆帕的高壓，我曾經就利用敲擊啤酒瓶口使底部產生空化的原理，直接將酒瓶震碎。
那么這個威力在管子中能干嘛呢？ 污水處理！污水中的有機物一直是個老大難問題，目前常用做法有化學沉降，但很難處理干凈。這時空化就派上用場了，它產生的高能沖擊波足以擊碎有機物中的化學鍵，將其分解。有相關研究，經特斯拉閥裝置循環空化處理15分鐘，污水中的大腸桿菌被殺死接近100%。
目前空化處理污水中有機物的方式已經產業化應用，但主要是超聲波空化。如果將來研究后，利用特斯拉閥的可操作性及成本方面優于超聲波空化，那么可能會是污水處理問題的一個新的進展。
百年來，正如對特斯拉本人的評價一樣，有人說特斯拉是徹徹底底的loser，有人卻說他是最接近神的人，同樣大家對特斯拉閥的看法也是兩極分化，一種說法是這玩意就是故弄玄虛沒什么用，雖然叫閥，卻是個漏的閥。但也有人覺得它沒有運動部件，結實耐用的特點是無可替代的事實，而且這個漏也很可能成為它最大的特點，也許它真是特斯拉留給后人的寶庫，等待人們去挖掘，找到真正屬于它的舞臺。
本期就到這里，歡迎點贊轉發，下期見 ~拜拜！
展開 液化天然氣輸送系統超低溫球閥介質流動仿真分析
圖7 天然氣10%體積分數云圖
在輸送管道的過渡位置，比如焊接法蘭位置、閥座附近、球體附近等，由于結構發生突變，至使LNG介質在該處的壓力突然降低，導致LNG介質汽化產生空泡，并會在管道內迅速擴張。當空泡潰滅破裂時，周圍LNG液體迅速填充，碰撞球閥管道壁面，形成水擊。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。本文對LNG超低溫球閥中的空化現象進行了數值模擬計算，并發現，隨著質量流量的增加，LNG在管道中的速度越來越大，球閥前后產生的壓降也越來越大；LNG超低溫球閥管道內部空化發生的位置主要位于焊接法蘭附近的縮口處，并且進口處的空化要比出口處的空化現象更加嚴重；應當盡量降低超低溫球閥的流量和壓差。
參考文獻
[1] 賈玉光.液化天然氣外輸站低溫球閥的選型和應用[J].石油和化工設備，2017,20(02):41-44.
[2] 黃明亞，宋忠榮，陶國慶，等.超低溫頂裝式球閥研制[J].閥門，2016,(06):25-28.
[3] 趙龍龍，張翼，李靖，等.LNG用超低溫球閥中腔泄壓規律的試驗[J].石油和化工設備，2020,23(07):81-83.
[4] ZWART P,GERBER A G,BELAMRI T.A two-phase flow model for predicting cavitation dynamics[C].Fifth International Conference on Multiphase Flow.2004.
文章來源：閥門
展開 ”十三五“流體力學學科重點發展戰略
高速水動力學主要研究涉及多相流、湍流、相變、可壓縮性和非定常等物理機制的自然空泡和通氣超空泡以及強非線性自由表面效應。
主要研究內容包括：
建立計及微觀群泡動力學特性的宏觀空化新模型，獲得空化流動內部流體介質的物理特征、空泡形態特征、流動結構、尾部流動特性以及作用在航行體上的流體動力特性。
建立超空泡穩定性的分析方法和判據，發展超空泡流動研究的實驗技術和數值模擬方法，建立機動運動狀態下超空泡航行體的動力學模型。
建立考慮表面波與發射平臺運動等復雜因素的航行體高速帶空泡出水過程的水動力學模型，發展流固耦合模型，把握復雜條件下航行體出水的流體動力特性、出水空泡潰滅和沖擊載荷的變化規律。
發展航行體高速入水沖擊和帶空泡航行的流體動力特性與姿態控制的實驗技術和精細數值模擬方法，突破入水沖擊載荷預示技術，建立航行體高速入水空泡演化模型和作用于航行體的水動力載荷模型，把握航行體高速入水非控段航行的水動力學特征和運動姿態。
建立破碎波、液艙晃蕩、甲板上浪和入水砰擊等強非線性自由表面水動力學機理及流固耦合分析方法。
5、非牛頓流體的流動與傳熱傳質
在自然界和工程技術界，存在著許多非牛頓流體，它們種類繁多，形態各異，也常被稱為復雜流體。同時，隨著現代科學技術的發展，如今某些原本被認為是牛頓流體的介質在精細觀測或特殊情況下也被發現存在非牛頓流體的特性。非牛頓流體的力學問題普遍存在于與國民經濟發展和日常生活密切相關的各個領域，不僅影響工業領域的生產過程、生產效率和產品質量，而且也影響生物醫學領域的器械研制、疾病診斷和治療。
主要發展方向和研究內容為：
非牛頓流體的流動穩定性研究，探討界面失穩、彈性湍流的物理機制以及泥石流和雪崩等重大自然災害的觸變性流體特征，研究航天發動機中非牛頓凝膠推進劑霧化過程中的關鍵科學問題。
展開 圖文講解離心泵的氣縛和氣蝕
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產生的危害情況
（1）使水泵性能惡化，汽蝕發生時將產生大量空泡，水中含有大量空泡時，破壞了水流的正常規律，使葉槽有效過流面面積減小，流動方向隨之改變，能量損失增大，從而引起水泵流量、揚程和效率的迅速下降，汽蝕嚴重時甚至會出現斷流(公眾號)。
（2）損壞過流部件，水泵壁面在高強度沖擊力的反復作用下，金屬表面產生局部變形與硬化變脆，產生金屬疲勞現象，使金屬破裂與剝落。除力學作用外，還夾雜著水體中逸出的深入活潑氣體（如氧氣）對金屬的化學腐蝕以及水體對金屬的電化學腐蝕等。在綜合作用下，水泵壁面起初是出現麻點，繼而變成蜂窩狀，嚴重時壁面會在短期內被擊空。
（3）產生振動和噪聲，氣泡潰滅時，液體質點互相撞擊，同時也撞擊金屬表面，產生各種頻率的噪聲，嚴重時可聽見泵內有“劈啪”的爆炸聲，同時引起機組振動。葉輪局部在巨大沖擊的反復作用下，表面出現斑痕及裂紋，甚至呈海綿狀逐漸脫落，降低了泵使用壽命。
所以噪聲和振動也是用來判斷汽蝕是否發生和消失的主要依據之一。
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