空化与空蚀现象及其应用研究

朱 昊

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

从19世纪后半叶在船舶螺旋桨的叶片上首次发现空化现象以来，空化科学理论及实际应用已经开始有了很大程度发展，并且关于应用空化技术进行作业的领域也越来越多［1］。尽管空化形成机理尚不明晰，并且针对冲蚀机理的研究成果也相对较少，然而它所具有的破坏能力是不可置疑的。例如，从航海领域而言，固体壁面周围空化泡出现湮灭之后，其不但会导致螺旋桨表面受到严重的气蚀，同时其形成的空化噪声必然会对军舰和潜艇的安全形成严重威胁。因此，本文对近年来国内外许多有关空化和空蚀机理及其实际应用问题展开详细化的介绍，并深入探讨空化空蚀射流的基本判据和空化空蚀射流是否具有较强的抗冲蚀反应能力的根本原因。

1 空化与空蚀概述

1.1 空化与空蚀原理

如果液体在恒压下进行加热处理，此后采用特定的方式进行减压，其达到某个特定水平时会产生大量的水蒸气或者气泡，此后其不断膨胀和发展。液体在恒温恒压下进行加热，达到一定的沸点而生成水蒸气气相的现象被称为沸腾。液体在温度保持不变的情况下，其内部出现负压区，负压区的液体压力低于液体的饱和蒸汽压力，在其负压区产生空泡的现象被称为空化［2］。针对低压区而言，空化的中部水流会涵盖相对较多的中部空泡，而在其空泡流经中部压强相对较高的高压地区时，空泡通常情况下也就会容易出现发育溃灭的异常情况。所以空化过程涉及了一到多个化学过程，其中比较广泛具有国际代表性的过程包括空泡形成、发育、溃灭等。从客观的化学角度而言，空化属于非恒定性的过程。

此外，在溃灭的时候往往会形成较高的压强，并能够提升至较高的气压水平。当空化的崩溃发生在距侧壁一定距离或靠近侧壁一定距离内时，侧壁将受到连续的冲击作用，从而导致材料断裂或疲劳破坏和剥落，这种现象称为空蚀［3］。当前来讲，空蚀问题不但发生在螺旋桨、工程建筑物上，同时会出现在多样性的设备上，其中比较具有代表性的包括管道、油泵等，甚至在深水中运动的物体上也具有此类问题。

1.2 空化的分类及影响

空化的初生与发展不但与液体条件存在关联，同时与空化区对应的压力场紧密相关。结合相关标准，其可以划分为多种类型，其中比较具有典型意义的包括游移空化、振荡空化等，其导致的影响重点包括：

1）造成建筑物表面的空蚀破坏。2）对于影响泵中水流速的反应器给出的流体动力学物理特征。这种影响很大某种程度上就是源自于在空穴效应产生之后液相所直接受到的一种连续性压力破坏，如此就就会导致这些液体间的运动很在极大程度上就会表现出作为两相的对流，并且会造成这些液体和其他固体之间边界的彼此相互作用关系出现显著性的改变。另外，该阻力问题还可能会直接造成一些液体高速运动时的阻力可能出现大幅度的变化。除流体漩涡空化外，在多数实际情况下空化的出现可能会直接导致流体水流运动阻力的大大增加。但是，在空化技术发展的早期也很有可能会致使阻力强度有显著的程度减少。3）引起结构物振动。因为在进行空化的时候，其往往会产生较大的脉动力，而且因为空化具有相对较强的随机性，所以其通常会造成结构物振动。4）产生空化噪声。在空化泡在溃灭时会释放巨大的能量，这就是空化的声震效应。空化虽然可能造成上述危害，但只要对其危害加以控制和合理利用，还是永远可以为广大人们服务的。例如，空化清洗能够在各种工业清洗中能够进行广泛应用，空化清洗可以用于工业切割，油井解堵等多个方面能够发挥较好的作用。国内已经也开始尝试结合这种除锈原理设计完成水下船体除锈处理工作。此外，利用空化技术发出的噪声还甚至可以用来作为回声声波探测仪的声源等。

1.3 空泡的形成与发展

空蚀主要是在相关形成条件消失之后，由于壁面周围的空泡大量破裂，进而导致材料出现明显的剥蚀。如果要系统性的分析空蚀，必须先对其形成的机理与发展过程进行分析。

1）气核形成理论。自然界中的水通常涵盖相对较多的等异相介质，如此就大幅度减少了水所具有的抗拉强度，进而造成水体有较大的概率被拉断，进而导致空化问题。水体中涵盖的小气泡一般被命名为空化核，它的存在是产生空化的必要条件。

水体中内部所含的流动气核物质可以细分为水体表面气核与内部流动气核两种［4］。表面气核气体是泛指水中的某些固体物质颗粒尚未完全溶解在物体表面表层裂缝缝隙中的气体。流动气核能够伴随水流高效的运动。其规格通常处于较低的水平，其尺寸大概为10-5～10-3cm，人的肉眼通常难以发现。

2）空泡的发育。球形空泡的变形主要包括两种类型［5］，其中第一类主要是指空泡形状在压力梯度变化较大的条件下，其外形出现明显的扁化，继而出现中心凹入形状，如果空泡规格相对较小，其形状与球形就愈加偏离，空泡就会从里至外不断翻转；另一个是由于界面的不稳定性导致的气穴表面高度的变化，再生后的球形空泡通常都会具有粗糙和不规则的球形外观。

空泡发育的整体过程具体参考图1。当外部压力降低时，液泡的半径仅缓慢增加，而当其到达M点时，当压力不再降低时，液泡的半径则迅速膨胀，这就是空化的产生。所以，M点可以看作是气穴的主要临界点，此时可以将其压强和空泡半径命名为临界压强pe。及临界空泡半径Re。

可以将其压强和空泡半径命名为临界压强pe。及临界空泡半径Re。

图1 空泡发育过程

3）球形空泡的稳定性。假如空泡扰动强度幅值不能伴随持续时间不断持续衰减，那么一个空泡运动具有较高的稳定性，假如空泡扰动强度幅值伴随持续时间不断增高，那么其运动稳定性必然相对较差。从定性角度来看，表面上的张力并不直接影响整个空泡的稳定性。因此，在球形空泡不断压缩的时候，唯有在空泡尺度相对较大的时候，它的运动才能够具有相对较高的稳定性；当空泡的体积被压缩至很小的时候，整个气泡就会运动不稳定。

4）空泡的溃灭。空泡在地球溃灭的最后一个阶段其内部运动颇为复杂［6］。在其尚未破灭的空泡初始检测阶段，可以明确认为空化仍然依旧是一个球形的，并且其内爆炸的过程仍然是一个球形对称的。可通过高速摄影对一个空泡在其直径内的展开进行标准化的高速检测，得到的检测成果具体参考图2。为了准确对比一个空泡的直径、压强随时间的变化，图中给出了空泡内的直径随气体溃灭后的随着时间变化的计算结果。结合该曲线图我们几乎可以明显发现，两者之间具有相对较高的时间一致性，特别是在空泡的一个初始阶段。

图2 空泡溃灭过程直径变化

2 空化射流技术的应用

2.1 空化射流技术概述

自空化现象被发现以来，人们便逐渐去利用这种破坏螺旋桨、剥蚀建筑物的有害现象，随之出现了专门产生空化效应来应用于各领域的空化喷嘴来产生空化射流。空化射流技术，是将有害的空化现象和生活中普遍使用的水射流技术相结合而形成的一项较为新颖的技术，即在水射流束中有目的性的地产生许多空化气泡，空泡破灭过程中会释放巨大的能量，以此来提高射流打击作用。这种技术很大程度上融合了水射流技术，并将其与空化现象进行有效的衔接，其冲蚀效果非常出众，工作效率十分理想，所以它在工业清洗、材料破碎等诸多领域实现了广泛应用。另外，因为它将空蚀现象应用至水射流，如此就能够对其作用进行开发和应用。

其中最为典型的也是应用最广泛的就是自激振荡型空化喷嘴，这种喷嘴不需要外界的激励，依靠自身结构就可以达到很好的空化效果。如图3所示。

图3 自激振荡型空化喷嘴

2.2 管道清洗

该技术可以应用于管道清洗方面。相关实验表明，超声空化清洗技术与常规技术进行对比，其要求的清洗时间相对较少，如此必然能够形成非常理想的经济效益。比如，可通过该技术清除聚合物加工厂的管道［7］，如此不但能够降低停产产生的经济损失，同时也在一定程度上缩减了水的使用量。

另外，该方法对碳氢化合物类沉淀物的清洗效果非常理想，在这种环境中有机化合物明显降低，而无机化合物也可以进行有效的氧化。通过这种方法也能够清洗内部结构较为复杂的管道，表现出多样性的优点，比如其具有良好的环保性，消耗的电能较低，效率出众，经济性十分理想，不存在严重的腐蚀作用，不会使滤芯基体受到损伤，装置的结构非常精简，操作难度低等，因此其具有理想的开发潜力。

2.3 降解水中有机污染物

根据空化气泡在溃灭时会释放巨大能量并产生局部瞬间的高温高压环境［8］，淹没空化水射流可用于处理含对硝基苯酚的工业废水。结果表明，水下空化射流不仅可行，而且比超声波空化方法的能效高两个数量级。

因为空泡在溃灭的时候会形成高温和高压［9］，往往会导致比较复杂的化学效应，如此就构建了全新的化学反应通道。从整体而言，空化水射流化学效应可以表现在多个层面，其中比较具有代表性的包括直接热分解、超临界水氧化等。

相关学者还提出将应用于一些常规加工方法难以实现的任务。比如将空化水射流流过规格较小的燃料喷嘴，经过较短的时间就能够将加工毛刺有效清除。

2.4 材料切割、岩石破碎和油井解堵

因为空化水射流中存在相对较多的空化现象，与常规水射流进行对比，其明显增加了射流对作用物体所表现出的切割效果。因此，空化射流发展到各个领域，进而提高水射流作业的整体效率。

空化水射流在现代钻井工程中也具有良好的应用价值。一般来讲，在钻杆上扩增专门的空化装置之后，可以有效破岩，大幅度优化钻井效率。在现实情况中，将空化喷嘴附加在钻头上，就能够形成空化射流，进而有效的冲蚀目标。

对于自振空化水射流而言，它在形成振荡射流的过程中，往往会形成强辐射、深穿透空化噪声，其对应的频率大概为10kHz。此类超声波能够发挥多样性的作用，其中比较具有代表性的包括疏通孔隙、调整地层渗透性等，如此就可以实现油井解堵。此外，它可以在使原油分子结构发生明显改变，并大幅度减小原油黏度，使油水界面对应的表面张力明显降低，进而优化原油表现出的流动性，大幅度增高原油采出水平。

2.5 材料的超细粉碎

空化水射流可以使从而使物料粉碎。相关数据显示，应用前混合-淹没空化水射能够让物料在较短的时间内快速粉碎，从而得到尺寸不超过10μm的颗粒。一般来讲，自振式空化水射流粉碎物料的整体产量与效率先后为球磨机的6.6倍和3.9倍。

整体而言，空化水射流的应用集中在多个方面，其中比较具有代表性的包括岩石破碎、材料切割等。而伴随课题研究的进一步深入，其逐渐发展到清洗等类型的行业，这使其应用领域进一步拓宽。

3 问题分析及总结展望

在近些年中，尽管对空化和空蚀机理的研究取得了一定成果，然而因为其微观、瞬时等特点，还存在诸多问题尚待更为系统性的研究。另外，结合流体显形、数值模拟等比较现代化的技术方法，必然使该技术朝着更微观的领域快速发展。

对该现象的研究结果不但能够进一步加深对此类现象的认识，同时可以避免它对船舶、机械等形成的损害。此外，其促使相关学者研究怎样科学地应用该现象所产生的冲击和噪声，从而发挥清洗、破岩等多方面的作用。通过空化噪声和振动冲击可发挥多种作用，其中比较具有代表性的包括清洗管道、降低稠油黏稠度以及增加原油采收率等。伴随该课题研究的进一步深入，空蚀和空化射流将在更广泛的领域得到应用，进而形成不可忽视的经济效益。