空蝕現象

液体内部局部压力降低时,液体内部或液固交界面上蒸气或气体空穴的形成、发展和溃灭的过程

空蝕現象(Cavitation),又譯氣穴現象氣蝕現象空洞現象,指的是在流動的液體中氣相的空穴 – 亦即極小的無液體空間(「空泡」或「空隙」) – 產生與消滅的一種物理現象,是力作用在液體的結果。液體受到壓力的快速改變時會產生空穴,此時的壓力通常相當低,除了液體本身的蒸汽壓,可以說是真空。當環境的壓力變高,空穴分裂,產生強力的衝擊波

流體動力學水洞實驗中空蝕的螺旋槳模型。
高速液體射流衝擊固定表面。
軸向柱塞泵液壓泵的閥板上空蝕現象造成的破壞。
這個影片可以看出齒輪泵上的空蝕現象情形。

空蝕現象是在工程環境中造成磨損的主要原因之一:在金屬表面旁瓦解的空穴反覆消滅,造成循環應力,將造成金屬的表面疲勞。最常見的例子是泵的葉輪和彎曲處,此處最容易有液體瞬間的方向改變發生。空蝕現象通常分為兩種:慣性(或瞬態)空蝕和非慣性空蝕。

效應 編輯

在流動的液體中,壓力(水的話大氣壓的1/50程度)在非常短的時間內比飽和蒸氣壓力低的時候,液體中會滾沸並存在100微米以下非常小的氣泡核。有氣泡核,氣泡才能產生。

根據壓力的變化而滾沸,氣體的體積也隨著變化,氣泡的大小也會改變。膨張與收縮的反覆,應對於壓力而變小。在變小的過程中,在螺旋槳等堅硬的表面上,氣泡的黏性和表面張力的作用下,氣泡以噴氣飛機般的高速,與表面衝突,之後氣泡分裂。這個噴氣流在堅硬的表面上產生腐蝕。這個過程為氣泡運動力學的瑞利(Rayleigh)運動方程式。

最終周圍的壓力比飽和蒸氣壓力高、周圍的液體向著氣泡的中心衝去,氣泡消失瞬間,因為在中心衝突,發生細小而強力的壓力波,引起噪音振動。過高的壓力也會損壞金屬。炸彈在水中爆炸時會有大量高壓氣泡造成破壞,這時的cavitation波叫做bulb pulse。

水中的空蝕現象產生30微米左右的氣泡、50KHz以上高速減退的高週波水中振動波(水中音波)。

效果 編輯

鼓蝦捕食 編輯

鼓蝦的巨螯能利用空蝕現象攻擊獵物。

庭院撒水 編輯

在庭院撒水的時候,將水管彎曲時變狹小的地方所發出的聲音就是因為發生了空蝕現象。透明的管子的話,在彎曲處的數厘米處,內部的水看起來是白色渾濁的。

超音波洗浄機 編輯

超音波作用於流體內時,可以使得流體內產生高低不同的壓力分布。當超音波的聲強足夠強,產生了足以使得流體氣化的低壓時,超音波就會使流體產生大量氣泡,而這些氣泡一方面可以衝擊污垢使污垢鬆脫,另一方面在高壓區內可以被瞬間壓潰,產生高強度的射流,清除物體表面污垢。

渦輪螺旋槳 編輯

空蝕現象的發生是因為產生的氣泡、水泵或渦輪等不能充分的推動水流、換句話說就是接近空轉的狀態。無用的能源被消耗,使得機器的效率低下。而且同時產生的壓力波使的這些機器的轉動翼表面腐蝕,效率下降或損壞。

內燃機 編輯

水冷引擎的水泵渦輪損耗。

飛彈發動機 編輯

防止方法 編輯

為了不發生空蝕現象,有形狀與面積的兩個方法:

  • 流體的壓力在飽和蒸氣壓力以上,最佳化流體接觸面的形狀。
  • 與流體的接觸面積變大,在飽和蒸氣壓以上,能夠傳達必要的力、如將螺旋槳變大。

超空蝕 編輯

增加水中移動物體的速度,會令空蝕現象所產生的氣泡量増加,最後氣泡完全覆蓋物體。這效應為超空蝕(super cavitation)。利用這個原理提高速度的物體的推進系統為超空蝕推進系統 (super cavitation propeller SCP)。

除去移動方向的部分,物體因為不與水接觸,基本上不會與水摩擦,因此能在水中超高速前進。