西华大学能源与环境学院：《流体机械原理及结构》课程教学资源（PPT课件讲稿）第五章 叶片式流体的空蚀、泥沙磨损及水力振动

第五章叶片流体的空蚀、泥沙 磨损及水力振动 空化与空蚀是发生于液体作为介质的水力 机械中的一种特有现象,而在固体和空气中 般不会发生空化和空蚀。 所以空化与空蚀同样也是反映水轮机、水 泵特性的一个重要指标,是设计、试验、运行 中必须考虑的问题,并且一直是国内外水力机 械领域中的重要研究课题。 2021-2-24 西华大学宋文武教授

2021-2-24 西华大学 宋文武 教授 1 第五章 叶片式流体的空蚀、泥沙 磨损及水力振动 空化与空蚀是发生于液体作为介质的水力 机械中的一种特有现象，而在固体和空气中一 般不会发生空化和空蚀。 所以空化与空蚀同样也是反映水轮机、水 泵特性的一个重要指标，是设计、试验、运行 中必须考虑的问题，并且一直是国内外水力机 械领域中的重要研究课题

n本章准备讨论4个方面的问题 1、空化与空蚀机理 2、水力机械的空化参数 3、水力机械的泥沙磨损 4、水力机械的水力振动 2021-2-24 西华大学宋文武教授

2021-2-24 西华大学 宋文武 教授 2 ¡ 本章准备讨论4个方面的问题： 1、空化与空蚀机理 2、水力机械的空化参数 3、水力机械的泥沙磨损 4、水力机械的水力振动

第一节空化与空蚀机理 象 这是一种流体力学现象。 临界压力——把给定温度下,液体开始汽化的压 力叫做临界压力。 (在不同温度下,液体的临界压力是不同的)。 注意:当液体温度一定,而压力降低到相应的临 界压力时,也会出现汽化现象,同时溶解于液体 中的气体析出,形成空泡(空穴) 2021-2-24 西华大学宋文武教授

2021-2-24 西华大学 宋文武 教授 3 第一节 空化与空蚀机理 一、空化现象 这是一种流体力学现象。 临界压力——把给定温度下，液体开始汽化的压 力叫做临界压力。 （在不同温度下，液体的临界压力是不同的）。 注意：当液体温度一定，而压力降低到相应的临 界压力时，也会出现汽化现象，同时溶解于液体 中的气体析出，形成空泡（空穴）

通过水力机械流道中的液流,如果某个地方的流速 增高,必然会引起此处的局部压力下降,当压力降 低到当时液流下的临界压力时,这个低压区的液流 就会开始汽化—一出现空泡(汽泡),空泡随液流 运动到较高压力区,由于P个,汽泡中的蒸气要重新 凝结成水,汽泡溃灭。因为体积突然收缩,汽泡原 先占有的空间形成真空,于是周围的高压液流质点 高速冲近来,将对过流表面产生非常大的瞬间脉冲 压力(水锤压力)。同时,在压力增高时,原来从 液流中分解出来的小汽泡,在水锤压力的作用下被 急剧压缩,直到汽泡的弹性力大雨水锤压力时,汽 泡将停止压缩而瞬间膨胀,所以对过流表面又形成 另一种水锤压力 2021-2-24 西华大学宋文武教授

2021-2-24 西华大学 宋文武 教授 4 ¡ 通过水力机械流道中的液流，如果某个地方的流速 增高，必然会引起此处的局部压力下降，当压力降 低到当时液流下的临界压力时，这个低压区的液流 就会开始汽化——出现空泡（汽泡），空泡随液流 运动到较高压力区，由于P↑，汽泡中的蒸气要重新 凝结成水，汽泡溃灭。因为体积突然收缩，汽泡原 先占有的空间形成真空，于是周围的高压液流质点 高速冲近来，将对过流表面产生非常大的瞬间脉冲 压力（水锤压力）。同时，在压力增高时，原来从 液流中分解出来的小汽泡，在水锤压力的作用下被 急剧压缩，直到汽泡的弹性力大雨水锤压力时，汽 泡将停止压缩而瞬间膨胀，所以对过流表面又形成 另一种水锤压力

空化:随着压力变化,液流中出现空泡状态 (初生、发展、溃灭)及产生一系列物理化 学变化称作空化(空穴)。 ■空蚀:指当空泡的溃灭过程发生于固壁表面, 而使材料破坏,即由空化引起的材料破坏 (侵蚀) 空泡的产生与发展取决于液体的状态 (温度和压力)以及液体本身的物理性质 (所含杂质量及所溶解的气体等)。 2021-2-24 西华大学宋文武教授

2021-2-24 西华大学 宋文武 教授 5 ¡ 空化：随着压力变化，液流中出现空泡状态 （初生、发展、溃灭）及产生一系列物理化 学变化称作空化（空穴）。 ¡ 空蚀：指当空泡的溃灭过程发生于固壁表面， 而使材料破坏，即由空化引起的材料破坏 （侵蚀）。 空泡的产生与发展取决于液体的状态 （温度和压力）以及液体本身的物理性质 （所含杂质量及所溶解的气体等）

空泡的发展型式 (按存在形式和产生的原因来分): ①、游动型(离散型)空泡。 ②、固定型空泡(空泡初生后形成附着于边界 上的空隙)。 ③、旋涡型空泡(液体受强烈扰动而形成)。 ④、振动型空泡。 2021-2-24 西华大学宋文武教授

2021-2-24 西华大学 宋文武 教授 6 ¡ 空泡的发展型式 （按存在形式和产生的原因来分）： ①、游动型（离散型）空泡。 ②、固定型空泡（空泡初生后形成附着于边界 上的空隙）。 ③、旋涡型空泡（液体受强烈扰动而形成）。 ④、振动型空泡

空蚀对过流部件造成的破坏,主要有四种 理论:机械作用、电化作用、化学作用和微 射流理论。 1)机械作用 在过流表面的某处,随着液流不断流过, 空泡不断形成一溃灭一压缩和膨胀,将产生 很高的冲击压力。通过高速摄影的圆盘实验 观察到,汽泡凝结时间约万分之一秒,水锤 压力可以达到几百个甚至几千个大气压,对 边壁材料造成破坏 2021-2-24 西华大学宋文武教授 7

2021-2-24 西华大学 宋文武 教授 7 二、空蚀机理 空蚀对过流部件造成的破坏，主要有四种 理论：机械作用、电化作用、化学作用和微 射流理论。 1）机械作用 在过流表面的某处，随着液流不断流过， 空泡不断形成—溃灭—压缩和膨胀，将产生 很高的冲击压力。通过高速摄影的圆盘实验 观察到，汽泡凝结时间约万分之一秒，水锤 压力可以达到几百个甚至几千个大气压，对 边壁材料造成破坏

1°空泡在溃灭过程中产生冲击波,从空泡的 中心向外放射时具有和大的冲击力,对材料 产生破坏。 2°大的空泡在溃灭过程中会变形,空泡分裂 成若干个小空泡的过程中还会产生高速的微 射流束,产生很强的冲击力 在过流边壁的某一个地方,随着液流的不 断流过,溃灭的空泡像尖刀一样反复锤打金 属边壁(疲劳破坏),金属表面在反复打击 下,金属晶格开始破坏一出现裂纹。当压力 升高时,高压液流深进金属裂缝,压力突然 下降时,缝隙中的液流又吹出来,循环下去 造成金属破坏,最终成块脱落—一剥蚀

2021-2-24 西华大学 宋文武 教授 8 ¡ 1°空泡在溃灭过程中产生冲击波，从空泡的 中心向外放射时具有和大的冲击力，对材料 产生破坏。 ¡ 2°大的空泡在溃灭过程中会变形，空泡分裂 成若干个小空泡的过程中还会产生高速的微 射流束，产生很强的冲击力。 在过流边壁的某一个地方，随着液流的不 断流过，溃灭的空泡像尖刀一样反复锤打金 属边壁（疲劳破坏），金属表面在反复打击 下，金属晶格开始破坏—出现裂纹。当压力 升高时，高压液流深进金属裂缝，压力突然 下降时，缝隙中的液流又吹出来，循环下去 造成金属破坏，最终成块脱落——剥蚀

2)化学作用 当空泡被压缩时,由于体积突然缩小,温度要 升高放出热量;同时水锤压力对金属表面的冲击也 要产生局部高温。当空泡凝结时,局部温度可达到 300°C左右,所以在这种高温、高压作用下,又促 使了空蚀对金属表面的氧化,这就是化学作用 3)电化作用 气泡在高温高压作用下产生放电现象,这就是电 化作用。因为金属表面被高压液流反复冲击的部位 会产生很大热量,温度升高,形成热端,将会与邻 近点的非冲击部位冷端)构成一个热电耦,在热电 耦的回路中产生电势,使金属内部有电流通过,也 产生电化腐蚀(电解作用),致金属表面变暗变毛, 2z速机械破坏作用大学米文武驶授

2021-2-24 西华大学 宋文武 教授 9 2）化学作用 当空泡被压缩时，由于体积突然缩小，温度要 升高放出热量；同时水锤压力对金属表面的冲击也 要产生局部高温。当空泡凝结时，局部温度可达到 300°C左右，所以在这种高温、高压作用下，又促 使了空蚀对金属表面的氧化，这就是化学作用。 3）电化作用 气泡在高温高压作用下产生放电现象，这就是电 化作用。因为金属表面被高压液流反复冲击的部位 会产生很大热量，温度升高，形成热端，将会与邻 近点的非冲击部位(冷端) 构成一个热电耦，在热电 耦的回路中产生电势，使金属内部有电流通过，也 产生电化腐蚀(电解作用)，致金属表面变暗变毛， 加速机械破坏作用

4)微射流理论 空泡在溃灭过程中还会产生高速的微射流 束,产生很强的冲击力,对材料表面产生破 坏作用 三、空蚀破坏类型及对性能的影响 1、空化空蚀破坏类型 1).翼型空化和空蚀 2).间隙空化和空蚀 3)空腔空化和空蚀 4).局部空化和空蚀 2021-2-24 西华大学宋文武教授 10

2021-2-24 西华大学 宋文武 教授 10 4）微射流理论 空泡在溃灭过程中还会产生高速的微射流 束，产生很强的冲击力，对材料表面产生破 坏作用。 三、空蚀破坏类型及对性能的影响 1 、空化空蚀破坏类型 1）.翼型空化和空蚀 2）.间隙空化和空蚀 3）.空腔空化和空蚀 4）.局部空化和空蚀