空化和泡Ⅰ：透平尼亚号首航失利之谜1)

张宇宁 张潇飞

(华北电力大学电站能量传递转化与系统教育部重点实验室，北京 102206)

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206)

1 巨轮首航

1894年，英国科学家查尔斯·帕森斯(Charles Parsons)设计了一种叫做透平尼亚号(Turbinia)的实验船（见图1），该实验船最大的特色是采用蒸汽涡轮机驱动船舶的前进。透平尼亚号的船体较为狭长，由单个蒸汽轮机提供船舶行进过程中所需要的动力，螺旋桨为单个并采用双桨叶形式。令人惊讶的是，该船的设计运行速度可达到30节以上。在当时的历史背景下，能够以如此快的速度行进的船舶十分罕见。因此，无论是在军事领域还是商业领域，人们对透平尼亚号均充满了极大的期待。上预言空化现象的存在并指出船桨的高速运动会产生真空并进一步影响船桨性能[1]。之后，1897年，为了解决蒸汽轮机船舶推进过程中的效率下降问题，巴纳比与帕森斯合作，进一步明晰了空化的概念[1]。

图1 透平尼亚号在海中航行（图片来源于网络）

1894年8月2 日，透平尼亚号正式下水。1894年11月14日，透平尼亚号开始试航。令人颇为失望的是，在试航的过程中，透平尼亚号船舶的行进速度远没有达到设计值，其试航中的最高航行速度仅仅达到19.75节，远低于设计运行速度。

2 首航失利原因探析与空化

试航结束后，帕森斯及其合作者详细分析了试航失利的原因。从试航数据的分析过程中发现，透平尼亚号实验船无法达到设计航速的首要原因是螺旋桨故障。具体而言，螺旋桨由于空化的产生导致了推进效率降低而无法达到设计要求。此外，螺旋桨表面也存在不同程度的损伤痕迹。遗憾的是，形成上述现象的具体原因和机理当时尚未厘清。

为了详细探析螺旋桨故障的机理，帕森斯及其合作者开展了密集的研究工作。为了能够在实验室中重现相关现象，有必要建设一个专门的研究水中高速流动现象的实验装置。1895年，帕森斯建立了世界上第一个小型高速水洞（见图2）。该设备全长约l m，横截面积为15 cm2，采用频闪仪观察高速流动现象。

图2 帕森斯发明的小型水洞（图片来源于网络）

根据实验观察和理论分析结果，帕森斯发现螺旋桨周围的压力会随着螺旋桨转速的升高而降低。特别地，当螺旋桨的转速达到一定的数值之时，螺旋桨周围的水便会发生相变现象，导致水由液体变成蒸汽，并在螺旋桨桨叶周围形成一群群的气泡。正是这些气泡的存在严重阻塞和干扰了螺旋桨周围的流体流动，使得已有的设计理论失效，导致螺旋桨在试航过程中无法达到设计推进效率。实际上，早在1873年，雷诺便从理论

值得一提的是，上述空化现象与我们平时烧开水过程中看到的沸腾气泡的产生机理和破坏效果有着显著不同[2]。在烧开水的过程中，一般是通过底部的加热器不断提升水的温度。在一个标准大气压下，水在100℃时便会发生沸腾相变，转变为蒸汽。而对于螺旋桨旋转所涉及的流动，其周围水的温度基本上是恒定的。随着螺旋桨转速的升高，周围水的动能随之逐渐升高，而其压力则逐渐降低。当局部压力低于该温度下所对应的水的饱和蒸汽压之时（室温下，该压力大约为2 300 Pa），水便会发生空化现象，转变为蒸汽。

空化现象之所以会对螺旋桨等产生很强的破坏，主要是因为其形成之后会立刻伴随着快速而剧烈的溃灭现象。在溃灭的过程中，空化泡的泡壁会剧烈收缩，并最终演化为细长的快速水射流并冲击在螺旋桨的壁面上，从而形成对螺旋桨的严重破坏，即空蚀。而烧开水所产生的气泡并不会有此射流现象。

此外，在实际流体中，液体中不可避免地存在若干杂质。这些杂质也被称为气核，它们为空化现象的产生提供了一定的有利条件，这是因为气核的存在会改变液体内部的抗拉强度，进而更容易诱导空化的产生。基于此，当需要抑制空化产生之时，可以通过对液体进行除气来减少气核的存在。

3 巨轮再启航

经过科学研究之后，帕森斯发现空化现象才是透平尼亚号无法达到设计航速的真正原因。围绕此现象，帕森斯对透平尼亚号进行了若干改良（见图3）。改良的主要措施是将动力系统重新进行设计和布置，从而避免空化现象的产生。具体而言，在原来的设计基础之上，改良后的透平尼亚号安装了三个蒸汽轮机，并且每个蒸汽轮机都对应安装有一个三桨叶的螺旋桨。经过改良之后，不但透平尼亚号的动力得到了充分保证，而且其螺旋桨的转速也得到了有效控制，避免了空化现象的发生及危害。

图3 透平尼亚号改进后的螺旋桨分布图（图片来源于网络）

1896年12月，改进后的透平尼亚号再次试航，航行速度达到29.6节，与首航相比航速得到了大幅度提升，已十分接近设计航速。1897年6月26日，经过进一步改进之后，透平尼亚号在庆祝英国维多利亚女王登基60周年的阅舰式上亮相，其航行速度高达34.5节，一跃成为当时世界上最快的船舶。

透平尼亚号的成功试航有力地推动了航海业的发展。此后，无论是商业船舶还是军用战舰均大规模地采用蒸汽轮机作为推进动力。例如，英国皇家海军使用蒸汽轮机作为动力装置建造了世界上第一艘涡轮动力战舰，并逐渐在军用船舶领域占据了优势地位。鉴于透平尼亚号在船舶科技史上的重要意义，其退役后被作为展览品陈列于博物馆中。

4 后世影响

透平尼亚号的试航及帕森斯的空化研究对船舶领域有着极为深刻的影响，主要反映在以下几个方面。

（1）透平尼亚号的首航失利开启了空化现象研究的新篇章。鉴于透平尼亚号极高的知名度及其在船舶推进领域的里程碑地位，空化现象在后续的船舶及其相关的水动力学的研究中获得了高度的重视，延续至今。

（2）帕森斯所发明的水洞逐渐演变为研究空化现象的重要实验装置。在后续的研究中，受帕森斯的启发，各种尺寸、类型和用途的水洞在全世界遍地开花，极大地促进了船舶推进等领域空化现象的深入研究。

（3）透平尼亚号的研发故事不断地激励科学家们迎接新的挑战。为了实现船舶的高速推进，高转速螺旋桨的空化问题一直是船舶领域的研究重点之一。此外，螺旋桨运行过程中的噪声控制对于提升水面船舶及潜艇等水下航行器的隐蔽性具有十分重要的意义，越来越受到重视。