舰艇静力学与快速性：空泡成因揭秘

实际上，空泡动力学是一门学科，是流体力学的一个分支，有一套关于气核、空泡、受力、运动的完整理论。

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），在空泡溃灭过程中伴随着机械、热力、化学等过程的作用。空化过程可以发生在液体内部，也可以发生在固体边界上。空蚀是指空泡溃灭引起的过流表面的材料损坏。空蚀是空化的直接后果，空蚀只发生在固体边界上。

液体中总存在着微量气泡，只是肉眼无法看到，气泡能否从液体中析出取决于该液体的汽化特性。在一个标准大气压下，把水加热到100℃，水就开始沸腾汽化。压力越低，水开始汽化的温度也越低，如当压力下降到2338 Pa时，水在20℃时就会开始沸腾汽化（如高原区水的沸点下降）。为了区别上述两种情况，通常把水在一定压力下受热而汽化的现象称为沸腾；而把环境温度不变，由于压力降低而引起的汽化现象称为空化。在一定温度下水开始空化的压力称为汽化压力，如图13-1所示。一般认为，某环境温度下饱和蒸汽压力pv（或称水的汽化压力）为空泡起始压力。

图13-1　温度和汽化压力的关系(www.xing528.com)

空化是液体中压力下降的结果。液体在流动过程中，当速度发生变化时，其压力也会同时发生变化，如果压力下降到使该液体汽化的临界压力之下，就将发生空化。根据伯努利方程，局部流速过高会导致压力降低，固体表面粗糙时流动脱离边界层形成湍流也会导致压力降低，如非流线翼型绕流、流道的突然扩散或收缩等都会造成湍流压降。

空化与沸腾的相同点是它们都为液体的汽化现象，而不同点是，沸腾是液体在常压高温条件下的汽化（如1个标准大气压下水的沸点是100℃），空化则是液体在常温低压条件下的汽化（如常温20℃时在0.0024个标准大气压下产生空化）。

空泡其实是一个笼统的名称，它有气化空泡、汽化空泡和似是空泡之分。所谓气化空泡是指原溶解于水中的气体，由于降压或过饱和，以扩散的方式通过界面逸到存在于水里的气核中并成长到肉眼能见的程度；所谓汽化空泡是指液体分子因压力降低到所谓饱和蒸汽压力而发生的爆发式的汽化，水汽通过界面，进入气核并使之膨胀；所谓似是空泡是指原来以各种方式存在于水中的气核，虽然没有任何水汽或气体逸入，但当外界压力降低时，它本身也会膨胀到肉眼可见的程度。因此，除汽化空泡外，气化空泡和似是空泡都可能在大于、等于或小于饱和蒸汽压力pv时出现，而汽化空泡则总是在局部压力小于或至少等于pv时才能出现。气化空泡和似是空泡成长缓慢，汽化空泡成长迅速。本章所讨论的空泡主要是指汽化空泡。

上面提到的空泡的产生都是因为液体内原来就存在有气核。有人进行过这样的试验：将事先经过特殊处理的水（所谓“纯水”），用静力学或动力学的方法测量它能否抗低压或负压。结果发现这种“纯水”不仅在非常低压（远低于该温度下的饱和蒸汽压力）下不会出现上述三类空泡，而且能承受相当大的拉力，即负压。由此证明，在液体中产生空泡一定是液体内本身存在某种“缺陷”或“弱点”所致，这种缺陷或弱点就是气核。无论是汽化空泡还是气化空泡，都得通过某种媒介进行“蒸发”或扩散，大量存在于自然水中或壁面上的气核正是这种媒介。