水利机械内空化、空泡和空腔的深入分析
水利机械内空化、空泡和空腔的深入分析
引言
水力机械的空化、空蚀和稳定运行问题历来是水力机械行业共同关注的基本问题。经过近百年
来的研究探索，特别是不锈钢等抗空蚀材料的大量采用，空蚀对水力机械的危害程度已有所减
轻，水力因素导致的水力机械运行不稳定也得到一定扼制。但是，当空化发生后，水中掺杂了
“ ” “ ”空化气泡（以下简称 空泡 ）或空化空腔（以下简称 空腔 ），水流变成了气液两相流，使原
来的单相流特性产生了很大的变化。过去有许多概念和认识是建立在单相流基础上的，关于空
化和压力脉动、压力脉动和空蚀等之间的关系及空泡和空腔在其中的作用等不是很清楚，甚至
有部分错误的认识和理解，给深入研究和解决水力稳定性等问题带来一定影响。本文拟从对空
化、空泡和空腔的深入分析入手，解析它们对两相流条件下稳定性等带来的危害，以进一步理
清它们之间的相互关系。
1 空化、空泡和空腔
一般的气泡内部压力大多高于或接近于大气压，通常在水力机械模型试验时看到的游离气泡和
部分附着在流道表面的气泡多属于该类气泡。空泡则是指水体空化后产生的气泡，且空泡内的
压力通常都低于空化压力。空泡属于气泡，但不同于一般气泡，二者最大、最本质的区别在于
内部压力是否低于空化压力。
当然，空泡内的主要成分是水蒸汽，氮气、氧气等空气中主要成份较少；而水中的游离气泡则
不同，其主要成分是空气。
高压气泡在水中的存在方式由其压力属性决定，只能存在于其适合的压力区。当其附着于叶片
等流道表面时，可能随压力变化而改变尺寸大小，反而不易被裹夹进水流；只有当压力降低到
“ ”负压甚至汽化压力之后，这些气泡才更容易被 吸 走，这也是空化试验前先抽真空并保持一段
时间的原因之一。那些游离于水中的高压气泡也不例外，其只能存在于高压区，即使偶尔被水
“ ”流裹夹进低压区，一旦失去裹夹力的限制，其自然会 漂移 至高压区，这也是通常称其为游离
气泡的原因。许多水电站试图用补气的方式消除压力脉动没有成功，大多是因为补气位置选择
不当，补气点压力高，补入的高压空气和游离气泡一样向高压区漂移，大部分空气没有进入低
压空腔，因此起不到降低压力脉动作用。即使是补入尾水管涡带中心的空气，也难以避免其向
锥管外侧扩散（如图1 所示）。当然，也不能完全排除有部分游离气泡留在了空化区，但其压
“ ”力势必相应降低到该区域生存 压力，以适应在该压力区的存在需求。
空化形成的低压空泡和常规高压气泡的另一重要区别是低压空泡的可溃灭特性。当空泡受到高
“ ”压冲击时，其可以快速溃灭。即使空泡不能完全的消于无型 ，但其或被击穿溃灭，或被压缩
“ ”还原为液态水和微小的 气核，都可能因自身的溃灭而使靠近的固体边壁产生空蚀。而高压气
泡则不同，其不可能溃灭，只能被压缩导致压力进一步升高，即使被周围空泡溃灭的冲击射流
击碎为更小气泡，高压空气也会对冲击射流起到缓冲作用，减轻空蚀。
“”“”空腔是空泡的聚集群，区别于空泡的 单体 ，有 团体 属性。根据空腔危害水力机械稳定性理
论，空腔的体积聚集到一定程度后，具备了放大压力脉动的能力，其主要危害对象已从材料
（指对材料的空蚀）转为对稳定性的影响，产生的主要危害是加剧压力脉动和振动等不稳定现
象及其引起的相应破坏。当然，对于聚集在流道边壁附近的空泡聚集群－空腔，如果其比较
薄，和边壁间无水体间隔，也很容易发生空蚀。
但若空腔体比较厚，尤其是内部压力低，随压力变化空腔不至于整体溃灭，其对边壁的空蚀反
而可能因未溃灭空腔的缓冲作用而降低。
空腔由空泡群组成，空泡和空泡之间仍然由空泡壁隔开，并没有形成为一无割断的连通区域。
而空泡壁的存在使空腔在水中具有可见的特性，给研究空腔的存在形态、产生影响及危害机理
“ ” “ ”提供了良好观测条件。此外，空腔内空泡个体的存在使空泡的快速 溃灭 和 生成 非常容易，
当水体压力脉动传递给空腔时，引起的空腔体积变化会比文献[2]所分析的还要大，放大压力脉
动的作用也更大。其原因是，当压力降低时，空腔附近的水体可能因压力低于空化压力而空化
形成新空泡，使空腔体积更大；当压力增高时，空腔边缘的空泡可能因压力高于空化压力而溃
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水利机械内空化、空泡和空腔的深入分析引言水力机械的空化、空蚀和稳定运行问题历来是水力机械行业共同关注的基本问题。经过近百年来的研究探索，特别是不锈钢等抗空蚀材料的大量采用，空蚀对水力机械的危害程度已有所减轻，水力因素导致的水力机械运行不稳定也得到一定扼制。但是，当空化发生后，水中掺杂了“”“”空化气泡（以下简称空泡）或空化空腔（以下简称空腔），水流变成了气液两相流，使原来的单相特性产生了很大的变化。过去有许多概念和认识是建立在单相流基础上的，关于空化和压力脉动、压力脉动和空蚀等之间的关系及空泡和空腔在其中的作用等不是很清楚，甚至有部分错误的认识和理解，给深入研究和解决水力稳定性等问题带来一定影...
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作者：闻远设计
分类：土木建筑化工水利
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时间：2024-05-14
