气穴现象(Cavitation),又译空穴效应、气蚀现象、空蚀现象、空穴现象或空洞现象,指的是在流动的液体中,因为压力差在短时间内发生气泡的产生与消灭的物理现象。
气穴现象_气穴现象 -定义
气穴现象(cavitation,airlock)又称空穴效应、空化现象,是一种科学现象,一般是指由于机械力(如由穿用的旋转机械力)产生的致使液体中的低压气泡突然形成并破裂的现象。由于学科的不同而有几种定义:定义一
气穴现象
在密封端面间局部产生汽(或气)泡的一种现象。通常发生在压力迅速减少的区域。
应用学科:机械工程(一级学科);机械零件(二级学科);机械密封(三级学科)。
定义二
在水泵入口处,如果水的绝对压强低于该温度下水的饱和蒸汽压,将形成汽泡,汽泡进入叶轮的高压区迅速破裂,产生高压水力冲击和振动的现象。
应用学科:煤炭科技(一级学科);矿山机械工程(二级学科);排水机械(三级学科)。
定义三
植物木质部导管内局部出现气泡的现象。气穴的形成导致导管堵塞,致使输水通道导水率降低。
应用学科:生态学(一级学科);生理生态学(二级学科)。
气穴现象_气穴现象 -分类
液体的气穴现象
气穴现象
在流动的液体中,压力(水的话大气压的1/50程度)在非常短的时间内比饱和蒸气压力低的时候,液体中会滚沸并存在100微米以下非常小的气泡核。有气泡核,气泡才能产生。
根据压力的变化而滚沸,气体的体积也随着变化,气泡的大小也会改变。膨张与收缩的反复,应对于压力而变小。在变小的过程中,在螺旋桨等坚硬的表面上,气泡的黏性和表面张力的作用下,气泡以喷气飞机般的高速,与表面冲突,之后气泡分裂。这个喷气流在坚硬的表面上产生腐蚀。这个过程为气泡运动力学的瑞利(Rayleigh)运动方程式。
最终周围的压力比饱和蒸气压力高、周围的液体向着气泡的中心冲去,气泡消失瞬间,因为在中心冲突,发生细小而强力的压力波,引起噪音、振动。过高的压力也会损坏金属。炸弹在水中爆炸时会有大量高压气泡造成破坏,这时的cavitation波叫做bulbpulse。
水中的空穴效应产生30微米左右的气泡、50KHz以上高速减退的高周波水中振动波(水中音波)。
声波的气穴现象
气穴现象研究:用20至40千赫的声波进行了实验,声波在浓硫酸液体中产生高密度与低密度2个快速交替的区域,使得压力在其间震荡,液体中的气泡在高压下收缩,低压下膨胀,压力的变化非常快,致使气泡向内炸裂,有足够的力量产生热,这一过程被称为声学的气穴现象。
气穴现象_气穴现象 -流体力学原理
高速液体绕物体和绕角点流动的压强降(可根据伯努利方程定性得到这一结论,即速度高的地方压强低)可导致局部有界的气泡或气体生成,此现象称为气穴,也叫做空化现象,是局部有界的闪蒸发并随后的凝结,或是由于压强降低致使溶解在液体中的气体的释放。
有时出现在水力机械,如泵、涡轮、阀或燃烧发动机中的引射喷管等中。由于其不利影响,长期以来许多学者对气穴现象进行了细致的研究,目的在于找出其发生及其大小的准则,很多论文和书籍阐述了气穴领域的问题,例如那甫,戴利,哈明特(1970);阿克斯泰,派金(1975);阿特(1981);罗德(1991);布雷能(1995);莱考费(1999)等。
气穴现象_气穴现象 -应用
水下武器
气穴现象在水下武器中的应用,比如海底子弹,当子弹由特别的物体发射出去后,在它的前部会形成一种类似于气泡状的东西,它的形成会让子弹的阻力减小,以增加威力。鼓虾捕食
鼓虾的巨螯能利用气穴现象攻击猎物。
庭院撒水
在庭院撒水的时候,将水管弯曲时变狭小的地方所发出的声音就是因为发生了气穴现象。透明的管子的话,在弯曲处的数厘米处,内部的水看起来是白色浑浊的。
超音波洗净机
用超音波来产生气穴现象,清除物体表面污垢。
涡轮螺旋桨
气穴现象的发生是因为产生的气泡、水泵或涡轮等不能充分的推动水流、换句话说就是接近空转的状态。无用的能源被消耗,使得机器的效率低下。而且同时产生的压力波使的这些机器的转动翼表面腐蚀,效率下降或损坏。
内燃机
水冷引擎的水泵涡轮损耗。
气穴现象_气穴现象 -危害
对液压装置的危害
气穴现象使液压装置产生噪声和振动,使金属表面受到腐蚀。
气穴产生时,液流的流动特性变坏,造成流量不稳定,噪声增加。特别是当带有气泡的液压油液被带到下游高压部位时,周围的高压使绝热压缩,迅速崩溃,局部可达到非常高的温度和冲击压力。这样的局部高温和冲击压力,一方面使那里的金属疲劳,另一方面又使液压油液变质,对金属产生化学腐蚀作用,因而使元件表面受到侵蚀、剥落,或出现海绵状的小洞穴。这种因气穴而对金属表面产生腐蚀的现象称为气蚀。
对于液压机床来说,气穴现象会引起振动和噪音,不但对影响机床的性能还会造成人身伤害。
气穴现象_气穴现象 -防止方法
为了不发生空穴效应,有形状与面积的两个方法:
1、流体的压力在饱和蒸气压力以上,最佳化流体接触面的形状。
2、与流体的接触面积变大,在饱和蒸气压以上,能够传达必要的力、将螺旋桨变大。
气穴现象_气穴现象 -超空蚀效应
增加水中移动物体的速度,会令空穴效应所产生的气泡量