第5章 空化和空蚀.pdf

第5章空化空蚀 第5章空化空蚀 水利与生态工程学院 张 强 主要内容 概述 空泡动力学基础 空蚀破坏程度的度量与空蚀破坏机理 空化与空蚀的物理模拟与原型观测 水工建筑物减免空蚀措施 一、概述 1、有关空化空蚀的概念 当液体在恒压下加热，或在恒温下用静力或动力方法减 压，到一定的时候就会有蒸气气泡或充满气体与蒸气的空泡出 现并发育生长。液体在恒压下加热而在其内部形成汽相的物理 现象称为沸腾，液体在温度基本不变的条件下由压力下降形成 汽相的过程称为空化。 液体流经的局部区域，若其压强低于某一临界值，液体也 会发生空化。在低压区空化的水流挟带着大量的空泡形成两相 流，而在水流流经下游压强较高的区域时，空泡又将溃灭，因 此空化现象包括空泡的发生、发育和溃灭，其为一非恒定过 程。 空泡溃灭的过程中将会产生极大的压强，其值可高达 几千个大气压。当空泡的溃灭出现在紧靠边壁或距边壁某 一距离范围内，固体边壁将受到持续不断地冲击作用，造 成材料的断裂或疲劳破坏而发生剥蚀，这种现象叫空蚀。 剥蚀掉的材料颗粒或碎屑被水流冲走以后，固壁表面 将形成凹坑。对于混凝土与岩石构成的固壁，随着空蚀坑 深度的增加，水流将对材料产生直接的动力作用，使其受 到进一步的破坏，从而直接影响到建筑物的寿命，甚至造 成整个建筑物破坏。 空蚀能够使各种固体受到损害。所有金属，不论是软 的或硬的，脆性的还是具有延性的，在化学上是活性的还 是惰性的，都有遭受过空蚀破坏的实例。橡皮、塑料、玻 璃及其他非金属材料也同样容易遭受空蚀破坏。 目前的空蚀现象不仅出现在螺旋桨、水力机械及水工 建筑物上，而且出现在闸门、管道、油泵和蒸气透平等设 备上，甚至在国防工业的鱼雷、潜艇等深水中运动的物体 上也存在空蚀现象。 空蚀问题的研究是流体力学中的一个重要课题，现 已深入到了解空化的初生、发育、成长和溃灭的过程， 深入到对溃灭时冲击力的计算以及材料的破坏机理等问 题的探讨中，其研究涉及面有：水利水电工程中的泄水 建筑物；舰船工程中的螺旋桨与船体；机电工程中的水 轮机与水泵；航天工程中的导弹与火箭；水下兵器中的 鱼雷和水下发射体以及核工程；石油工程与冶金工程等 一切与液体高速运动有关的工程，都存在空化与空蚀问 题。不同专业的研究成果相互借鉴，促进了空化空蚀研 究的发展。 2、泄水建筑物空蚀实例 国内外水利水电工程中的泄水建筑物因受空蚀而损坏的例 子很多，有许多专著或论文专门叙述并收集了大量实例。国内 比较典型的空蚀破坏实例有：丰满水电站溢流坝面的空蚀破 坏；刘家峡水电站泄水道门槽及其主轨的空蚀破坏；陆水蒲圻 水利枢纽与盐锅峡水电站消能设旋的空蚀破坏及柘溪水电站溢 流坝挑流鼻坎的空蚀破坏。通过对遭受空蚀破坏的几个泄洪洞 典型实例的分析表明，泄洪洞发生空蚀破坏具有如下特点： (1)水头高。从94～155m之间； (2)流速大。从38～49m／s之间； (3)发生空蚀时的实际泄流量大多没有达到设计流量； (4)水流空化数（气穴数）很低，均小于0.15； (5)破坏范围大，破坏区长度在27～50 m之间，深度2～14m 之间。 造成泄水建筑物空蚀破坏的原因是多方面的，有设计方 面的原因，也有施工方面的原因，甚至还有运行管理方面的 原因。因此，要减免与防止空蚀破坏，在设计、施工和管理 等多个环节应共同努力。 3、空化的分类 空化的初生与发展既与液体的条件(如液体中固体或气体 介质的含量等)有关，也与空化区的压力场有关。对空化现象 进行分类，既可依据空化发生的环境，也可依据空化的主要 物理特性，美国的Knapp等人综合此两种分类方法将空化分为 以下四种类型。 (1)游移空化 游移空化是一种由单个瞬态空泡形成的空化现象。这 种空泡在液体中形成后，随液流运动并形成若干次膨胀、 收缩的过程，最后溃灭消失。游移空化常发生于壁面曲率 很小，且未发生水流分离的边壁附近的低压区，也可出现 在移动的旋涡核心和紊动剪切层中的高紊动区域。 (2)固定空化 固定空化是初生空化后而形成的一种状态。当水流从 绕流体或过流固体壁面脱流后，形成附着在边界上的空腔 或空穴。肉眼看到的空腔或空穴相对于边壁而言似乎是固 定的，因此称为固定空化。又由于其