超空化

极端形态的空化现象

超空化（super cavitation）亦称超空穴，是一种极端形态的空化现象。当超空化现象发生时，整个绕流体的近壁区域内是汽液两相的混合流。当压力足够低时，将形成充满汽相的“空穴”，称超空泡。在物体与液体之间的相对运动速度没有达到足够低压的条件下，也可人工注入气体，形成覆盖物体大部分表面或全部表面的内部主要含气体的“通气超空泡”。

基本概念

空泡

空泡(Cavity)是在液体介质遭到连续性破坏的基础上出现的，是压力降低的结果。或者说，当液体内某点压力降低到某个临界压力以下时，液体发生汽化，先是微观的，然后成为宏观的小气泡，尔后在液体内部或液体与固体的交界面上，汇合形成较大的蒸汽与气体的空腔，称为空泡。空泡的产生、发展与溃灭过程称为空化现象(Cavitation Phenomenon)。液体中存在气核(微小气泡)和压力降低是空化发生的两个必要条件。

根据压力降低的原因，空化可分为两大类：由于局部速度增大导致压力降低到I临界压力以下而发生的空化称为流体动力空化(Hydrodynamic Cavitation)；由于液体中波场的出现而导致压力降低发生的空化称为声学空化(Acoustic Cavitation)。

空化现象是人们生活中和工程上经常观察到的一种物理现象。例如，液体管道中横截面积变小处出现的气泡、桥墩尾流旋涡中的气泡、螺旋桨叶片升力表面出现的空泡、鱼雷高速入水时形成的大空泡以及水坝溢洪流道中产生的大量气泡等，这些都是空化现象。

空化一词是在19世纪末开始出现的，据说是由弗劳德(Froude)提出的。在此之前，欧拉(Euler)、雷诺(Reynolds)等人都曾经对旋转机械中液体的行为问题发生怀疑，观察过水力涡轮与船舶螺旋桨的空化现象。1895年巴纳比(Barnaby)、帕森斯(Parsons)在分析螺旋桨效率严重下降的原因时发现空泡的影响，并且建立了第一个水洞来研究这个问题。此后，经过100多年的努力，逐步加深了对空化问题的认识，取得了许多辉煌的成就。但另一方面，由于空化现象的复杂性，至今仍有一些问题未被完全掌握，有待进一步探索与研究。

空化状态

研究水下运动体时，人们首先关心的是运动体是否发生了空化，以及空化程度如何。物体与液体存在相对运动时的空化状态(CavitationState)，可分为：

1)非空化状态(Non Cavitation)

非空化状态是指运动体附近流场中没有发生空泡的状态，物体表面处于完全沾湿状态(图1(a))。

2)临界空化状态(Critical Cavitation)

临界空化状态是指在物体附近流场中的最低压力开始降到液体的蒸汽压力，流场中的最低压力点通常位于物面上，物面上的该点开始出现空泡的状态(图1(b))。临界空化状态有时也称为初生空化状态(Initial Cavitation)。

3)局部空化状态(Partial Cavitation)

局部空化状态是指在物体局部表面上和邻近液体内部已经出现成片的空泡状态(图1(c))。这种状态下产生的空泡一般都是或专指附体空泡，称为局部附体空泡(Partially Attached Cavity)。

4)超空化状态(Super-Cavitation)

超空化状态是指在整个物体表面上和物体尾端附近的液体中都出现空泡的状态。超空化状态下(图1(d))，形成的空泡犹如一个大汽/气袋，超过物体的尾端，或把整个物体装于其中，这种空泡称为超空泡(Supercavity)。

超空穴

超空穴(super-cavitation)，亦即“超空化”。空化区长度超过绕流体范围时的空化。由水流中低压区压力的进一步降低、空化区范围不断发展而形成。水流中形成超空化后，会加大水流阻力。超空化的空泡溃灭区远离结构物，结构物本身不发生空蚀。工程上利用此特性，对某些结构设计成超空化形式，作为一种减免空化的措施。

超空穴尺度控制

由于超空穴中心最大截面的直径Dc、空穴总长度Lc等超空穴尺度，与空化数σ、空化器直径Dn、空化器阻力系数Cx都有关系。因此，常可通过改变σ和Cx来控制空穴尺度。

如通过向空穴供气，增加空穴内通气压力Pc，可使空化数σ减小。考虑到空化数σ与通气流量有一定的关系式，用人工通气方法减小σ值有一极限，即可达到的最小空化数σmin，即

故通气空穴中σ的变化有一定范围，即

通常，在物体运动速度较小(10m/s～100m/s)时，用通气方法控制超空穴尺度是有效的，而当速度U∞远大于100m/s时，人工通气便无意义。

对于用Cx的变化以控制超空穴尺度的方法，如在圆锥体空化器中，因其阻力系数Cx与圆锥半角β有关，选用不同的β角可使Cx值有很大变化，如图2所示。对一定的圆锥半角β的空化器，还可改变圆锥体的高度改变Cx值，在图2中，一个直径Dn和半角β都不变的圆锥空化器，在套筒内滑动时，阻力系数Cx值随x/Dn也会有很大变化。

空化器形状变化，不仅可产生流体阻力的变化，还可同时产生升力，它对保持物体超空泡运动的稳定性有重要意义。对一个与来流倾斜的曲面空化器，如图3所示，水流对空化器有压力合力F和力矩M0(M0一般很小)作用。如这些力的作用，使空化器减少攻角α，则该空化器自身是静稳定的，否则是静不稳定。所以，对装置有空化器的物体来说，为使该物体在超空泡中具有良好的运动稳定性，总要求空化器自身是静稳定的。

从图3所示的受力分析可知，空化器静稳定的条件为

对平面空化器，水流的压力合力F与平面垂直，此时δ=α，故平面(板)空化器是中性稳定的。对曲面空化器，通过计算或经验可知，对着来流为凹面的曲面空化器，δ>α是静稳定的，而对着来流为凸面的空化器，因δ<α是静不稳定的。

超空化的翼型

超空化的水力机械转轮叶片的翼型与普通的空气动力翼型，无论是在形状上还是在动力特性上均有很大的不同。

图4为普通翼型与某种超空化翼型的压力分布图。普通的空气动力翼型均为前半部较厚，尾部较薄的流线型翼型，翼型绕流产生的升力主要是靠翼型背面压力降低来实现的。超空化翼型的最大厚度靠近翼型的尾部，而翼型的前半部较薄，翼型绕流升力主要靠翼型正面压力形成；工况变动时，翼型背面的压力变化较小，而正面始终保持正压。

超空化翼型在超空化工况下绕流时(图5)，汽穴的长度同翼型弦长的比值应大于3～4，至少不能小于1.5，否则汽穴的不稳定工况将对翼型表面的绕流有干扰。

超空化的翼型种类很多，国外已研制出用于螺旋桨、水泵等水力机械的各种性能良好的超空化翼型。试验表明，超空化泵虽然最高效率比一般水泵低，但在空化工况下，超空化泵的性能大大优于一般的水泵，即超空化泵已不再受空化的限制而能保持较高的运行效率。

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