水轮机中的水流空化现象及特点分析

水轮机的空化现象是水流在能量转换过程中产生的一种特殊现象。大约在20世纪初，人们开始发现轮船的高速金属螺旋桨在很短时间内就被破坏，后来在水轮机中也发生了转轮叶片遭受破坏的情况，即空化现象。

水轮机的工作介质是液体。液体的质点并不像固体那样围绕固定位置振动，而是质点的位置迁移较容易发生。在常温下，液体就显示了这种特性。液体质点从液体中离析的情况取决于该种液体的汽化特性。例如，水在一个标准大气压力作用下，温度达到100℃时，发生沸腾汽化，而当周围环境压力降低到0.24mH2O 时，水温为20℃时空化现象即可发生。图4-1表示了水的汽化压力与温度关系曲线。

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图4-1　水温与饱和气泡压力关系曲线

由于液体具有汽化特性，则当液体在恒压下加热，或在恒温下降低其周围环境压力，都能使液体达到汽化状态。但在研究空化和空蚀时，对于由这两个不同条件形成的液体汽化现象在概念上是不同的。任何一种液体在衡定压力下加热，当液体温度高于某一温度时，液体开始汽化，形成气泡，这称为沸腾。当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育形成空穴，这种现象称为空化。

以前通常所讲的气蚀现象，实际上包括了空化和空蚀两个过程。空化乃是在液体中形成空穴使液相流体的连续性遭到破坏，它发生在压力下降到某一临界值的流动区域中。在空穴中主要充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。当这些空穴进入压力较低的区域时，就开始发育成长为较大的气泡，然后，气泡被流体带到压力高于临界值的区域，气泡就将溃灭，这个过程称为空化。空化过程可以发生在液体内部，也可以发生在固定边界上。空蚀是指由于空泡的溃灭，引起过流表面的材料损坏。在空泡溃灭过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。空蚀是空化的直接后果，空蚀只发生在固体边界上。