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浅谈水轮机的空化和空蚀技术报告——浅谈水轮机的空化和空蚀水轮机在运行中存在四大问题：动能指标（流量、出力、转速）、效率、空化性能、稳定性。
在上述问题中，空化、空蚀被喻为水轮机的“癌症”。
所以在水电厂水轮机运行生产过程中空化、空蚀是一个必须注意和避免的问题，我们必须了解其物理性质，然后找到避免和处理的方法。
空化是一种液体现象，固体或气体都不会发生空化。
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成空穴，这种现象称为空化。
沸腾也是一种汽化，但沸腾是液体在衡定压力下加热，液体温度高于某一温度时发生的汽化，与空化不同之处就在于沸腾主要是热能交换的过程，而空化可近似看作是一个冷过程。
空化包括了空穴的出生、发育和溃灭。
当液体的压力降到某一临界值时，液体中便会产生空穴，这些空穴进入压力较低区域时，就开始发育成较大的气泡，气泡被流体带到高于压力临界值的区域时就会溃灭。
在空化区，空泡的不断产生又不断溃灭过程中，将产生高频高压的微观水击，由于高频高压的水击直接作用于过流表面，形成机械破坏，长期反复作用形成疲劳破坏。
同时空泡在溃灭时产生高温（可达到300—500摄氏度），与周围介质形成温差，产生温差电势，造成电化学腐蚀，而高温作用下产生氧，并增加其他有害气体的活性，产生腐蚀。
由于以上几种因素的联合作用，加快了过流表面的腐蚀破坏，这就是空蚀。
空蚀是空化的直接结果，空蚀只发生在固体表面。
由以上分析我们知道空化、空蚀的根本原因是水轮机自身产生的低压造成的。
而液体在混流式机组过流管道中低压的形成主要有：1)、翼型绕流：当水流绕流水轮机翼型叶片时，叶片背面的压力往往为负压，当叶片背面压力降低到环境汽化压力以下时，将会出现空化区空蚀水轮机叶片，对水轮机叶片造成破坏，即翼型空蚀。
2）、狭小空隙：当水流流过混流式机组导叶上下断面、立面密封、迷宫环等狭小通道或间隙时，将会导致局部流速升高，压力降低，当压力降低到环境汽化压力以下时，同样会产生空化区，空蚀导叶、叶片等，即间隙空蚀。
空化与空蚀的原理与应用1. 空化的定义空化是指在流体中由于局部压力降低或速度增加而导致液体或气体产生腔隙的现象。
空化也可以描述为气泡形成的过程，当流体中的压力降低到饱和蒸汽压以下时，液体将开始汽化形成气泡。
2. 空化的原理空化的原因主要可以分为两种：压力降低和速度增加。
压力降低是指液体或气体中的压力低于饱和蒸汽压，导致液体开始汽化形成气泡。
速度增加是指流体中的流速增加，导致液体或气体无法及时填充空隙，从而形成气泡。
空化的发生与压力、速度、温度和流体性质等因素密切相关。
压力降低和速度增加是最主要的触发机制，而温度和流体性质则会影响空化的严重程度和形态。
3. 空蚀的定义空蚀是指在固体表面上由于流体的冲击或剪切而造成局部的物质脱离或溶解的现象。
在流体动力学中，空蚀通常指流体在高速运动过程中由于压力降低而在固体表面形成气体或蒸汽腔隙的现象。
4. 空蚀的原理空蚀的原理依然与压力降低有关。
当流体在高速运动过程中，流体速度增加，压力随之降低，当流体速度达到临界值时，压力降低导致流体中的气体产生腔隙，形成空蚀现象。
空蚀会导致固体表面的物质脱落或溶解，从而对设备和结构造成损害。
5. 空化与空蚀的应用空化和空蚀的研究在许多领域中具有重要的应用价值。
以下是几个典型的应用案例：•航空航天工业：在航空航天领域，空化和空蚀是重要的研究方向。
由于高速飞行时流体的压力和速度变化较大，空化和空蚀可能对飞行器的气动性能和结构造成严重影响。
因此，研究空化和空蚀的机理和控制方法对于提高飞行器性能具有重要意义。
•能源领域：在能源领域，如核能和燃料电池等，空化和空蚀也扮演着重要的角色。
在核能中，空化和空蚀会影响核反应堆中的传热和冷却工作。
燃料电池中，空化和空蚀对电池材料的稳定性和寿命有着重要的影响，因此需要进行相关的研究和控制。
•液压传动：在液压传动系统中，高速流体的流动会引起空化和空蚀现象。
空化和空蚀会导致液压传动系统的效率下降和部件的损坏，因此需要研究和采取相应的控制措施，以提高传动系统的性能和可靠性。
第四章叶片式流体机械的空化与空蚀§4.1 流体机械的空化与空蚀机理一、空化及空蚀的机理：空化及空蚀是以液体为介质的叶片式流体机械，即水力机械才有可能出现的一种物理现象。
空化现象：沸腾：液体在恒定压力下加热，当液体温度升高至某一温度，液体开始气化形成气泡，这叫沸腾。
当温度一定，压力降低到某一临界压力，也会气化。
当P<Pv ，开始气化，形成空穴（即气泡），当气泡到高压区则，气泡内的蒸汽重新凝结，气泡溃灭，另外还伴随着一系列物理、化学现象，这叫空化。
二、液体的性质及空化初生条件空化初生时空穴在局部压力降至临近液体蒸汽压力的瞬间形成的。
严格的讲，一般若空穴在均质液体内产生，液体必须破裂，破裂所需应力不是以蒸汽压力来衡量，而是该温度下液体的抗拉强度。
液体能不受拉，回答肯定。
很多人对纯水作了试验，证明纯水的抗拉强度为26-27MPa。
但实际上自然界的水不能承受拉应力，这是因为水的连续性破坏了。
（例水温200c ，压力2400Pa时水的连续性就破坏了，水就气化了）。
而水的连续性的破坏是由于水中有杂质，改变了水的结构，消弱了水（液体）的抗拉强度，而水中液体中的杂质是多种多样的，主要是未溶解的气体。
实际上，当局部压力降至蒸汽压力附近，未溶解气体首先从液体中析出，形成气核。
故液体压力降低是空化产生和发展的外部条件，而其内因还是液体本身的特性（含未溶解气体的量）。
三、空化的发展及溃灭及空化的类型当压力再低，气泡长大，进入高压区，气泡不断缩小，溃灭。
此过程是复杂过程，不仅和压力及含气量大小有关，还和液体的表面张力，粘性，可压缩性，惯性有关。
高速摄影拍了气泡的溃灭过程：当气泡达到最大直径时，紧接着高速溃灭至气泡尺寸为零，而后又再生一个稍小的，接着又溃灭，这种再生一般二次，尺寸一次比一次小。
类型：①游动型空化②固定型空化水力机械中出现③漩涡型空化④振动型空化：液体中的固体边界的机械振动激发相邻的液体产生压力脉动，与振幅足够大时，使液体产生空化。
空化和空蚀的原理及应用1. 空化的原理空化是指在流体力学中，流动速度超过临界速度时，液体或气体中的压力下降到饱和蒸汽压以下，形成气蚀现象。
空化通常在高速液体流动或液体泵中特别容易发生。
空化的原理主要是因为流动速度增加，密度降低，从而导致流体的压力下降。
当压力下降至饱和蒸汽压以下，液体中的液体蒸发成气体，形成气蚀。
空化还会导致液体流体的流速增加，从而加剧空化现象。
2. 空蚀的原理空蚀是指在机械装置中，由于液体中的气泡或气体在压力变化下沉积或爆裂，导致液体中出现空隙或气泡的现象。
空蚀通常在液压系统、液体泵或涡轮机等设备中产生。
空蚀的原理主要是液体中的气泡或气体在压力变化下，由于气泡或气体的容积变化引发的空隙或气泡。
当压力变化引起气泡或气体的容积变化时，液体中的空隙或气泡会导致流体流动的中断或减弱，从而导致空蚀现象。
3. 空化和空蚀的应用空化和空蚀现象在工程领域中有着重要的应用。
以下是一些常见的应用场景：3.1 液体泵设计和维护在液体泵的设计和维护中，空化和空蚀是需要考虑的关键因素。
液体泵在高速运行时容易发生空化现象，导致泵的效率下降甚至损坏。
因此，在液体泵的设计和维护中，需要采取措施来避免空化和空蚀的发生，如增加泵的压力容降、增加泵的进口压力或降低泵的运行速度等。
3.2 水力发电站设计和优化在水力发电站的设计和优化中，空化和空蚀的控制是非常重要的。
由于水力发电站的高速水流，空化和空蚀往往会导致设备的损坏和效率下降。
因此，在水力发电站的设计和优化过程中，需要对流体的流速和压力进行适当控制，以避免空化和空蚀的发生。
此外，还需要合理选择材料，以提高设备的抗空蚀能力。
3.3 液压系统的设计和维护在液压系统中，空化和空蚀往往会导致系统压力下降，从而降低液压设备的工作效果。
因此，在液压系统的设计和维护中，需要合理选择液压材料，并采取措施来避免空化和空蚀的发生。
常见的方法包括增加液压系统的进口压力、优化液压系统的管道设计、定期维护和检查液压设备等。
空化原理的应用什么是空化原理空化原理，又称空乏效应，是指在一定条件下，气体在流动时经过突破临界速度并扩散，使局部空间内的气体密度降低，形成“空化”现象。
空化原理被广泛应用于各个领域，具有重要的实际意义。
空化原理的应用领域空化原理在多个领域得到了应用，包括但不限于以下几个方面：1.航空航天领域：在航空航天领域，空化原理被应用于喷气发动机的设计和优化。
通过利用空化原理，设计师可以改变气流的速度和方向，达到降低空气阻力、提高发动机效率的目的。
2.能源领域：在能源领域，空化原理被应用于风力发电机。
通过优化风轮形状和叶片结构，可以减小空气阻力，提高风力发电机的转化效率。
3.燃烧领域：在燃烧领域，空化原理被应用于燃气轮机和内燃机的设计中。
通过控制气体的进出速度和方向，可以提高燃烧效率，减少能源浪费。
4.水力学领域：在水力学领域，空化原理被应用于水泵、水轮机等设备的设计。
通过利用空化原理，可以降低水流的阻力，提升设备的运行效率。
空化原理的工作原理空化原理的工作原理主要包括以下几个方面：•流体力学特性：空化原理是基于流体力学的基本原理。
流体在流动时，当流速超过一定临界速度时，气体开始扩散，形成空化现象。
•空气阻力降低：通过利用空化原理，可以改变物体表面的形状和表面特性，使气流在物体表面上流动时产生空化，从而降低空气阻力。
•压力分布改变：利用空化原理，可以改变气体流动时的压力分布，使气体流动的速度和方向得到优化，从而提高物体的运动性能。
空化原理的优势与挑战空化原理的应用具有以下优势：•能源节约：通过利用空化原理，可以降低空气阻力，提高能源的利用效率，实现能源的节约。
•环境友好：空化原理的应用可以减少气体的排放量，对环境的污染较小，符合可持续发展的要求。
•提高产品性能：通过利用空化原理，可以优化产品的设计和制造工艺，提高产品的性能和竞争力。
然而，空化原理的应用也存在一些挑战：•技术难题：空化原理的应用需要掌握一定的流体力学和工程技术知识，对研究人员的专业素质要求较高。
空化在化学的应用
空化在化学中有很多应用，以下是一些例子：
1. 促进化学反应：空化作用可以提供局部的高温高压环境，促进化学反应的进行。
例如，在石油工业中，空化技术可用于提高油水分离的效率。
2. 粉碎液内悬浮物：空化作用可以产生强大的冲击力和微射流，将液体中的悬浮物粉碎成更小的颗粒，方便后续处理。
3. 制造乳剂：在化学和制药工业中，空化技术可用于制造乳剂。
通过控制空化条件，可以生成不同粒径和稳定性的乳滴。
4. 杀灭细菌：空化作用可以产生高能微射流和冲击波，破坏细菌的细胞壁和细胞膜，导致细菌死亡。
这种方法可以用于消毒和杀菌。
5. 清洗机件：空化作用可以用于清洗机件和表面。
通过产生冲击波和微射流，可以清除机件表面的污垢和杂质。
总的来说，空化在化学中的应用非常广泛，涉及石油、制药、食品、环保等多个领域。
随着技术的不断发展和研究的深入，空化技术的应用前景将更加广阔。
空化和空蚀的原理及应用空化（Cavitation）是指在流体中由于压力降低而引起的气化现象。
而空蚀（Erosion）则是指由于流体中存在的空化诱发流体的快速扩散和冲击而导致的固体材料表面的破坏。
空化的原理如下：当流体在高压区域流动到低压区域时，压力降低会导致液体分子之间的吸引力减小，分子的动能趋于增加，当达到一定程度时，液体中部分分子就开始从液相过渡到气相，形成气泡。
这种气泡在低压区域形成，但随着流体的流动而向高压区域移动，气泡被高压区域的压力挤压，气泡内的压力迅速升高，气泡会快速崩碎，形成冲击波，产生高压和高温，从而对固体材料表面造成破坏。
空蚀的原理如下：当液体中存在着气泡时，流体在气泡周围的流动速度会增大，压强也会下降，这会导致流体中的空泡加速膨胀和坍缩，形成水锤效应。
这种水锤效应会导致流体中的冲击力增大，加速流动，产生高速流体颗粒对固体表面的撞击和破坏，导致固体表面的空蚀。
1.水泵和液态喷嘴：在水泵和液态喷嘴中，由于高压区域到低压区域的压力降低，会发生空化现象。
通过控制压力和流速，可以调节空化现象的强度，以实现所需的液体流量和压力。
2.超声波清洗：超声波清洗是利用空化和空蚀的原理进行清洗的方法。
超声波产生的高频率声波在液体中形成气泡，并通过空化破坏污垢表面的结构，以加快清洗效果。
3.船舶和飞机螺旋桨的设计：在船舶和飞机螺旋桨的设计中，需要考虑流体流动的效率和稳定性。
通过了解空化和空蚀的原理，设计出能够减少空化和空蚀的螺旋桨结构，提高流体的工作效率和螺旋桨的使用寿命。
4.水力发电站和水轮机：在水力发电站和水轮机中，由于水流的高速冲击和涡流形成的压力下降，会引发空化和空蚀的现象。
通过对水轮机和水流的研究，可以减少空化和空蚀的风险，提高发电效率和设备的使用寿命。
5.燃油喷射系统：在汽车和航空发动机中的燃油喷射系统中，通过控制喷油峰值压力和喷油峰值流量，可以改善空化和空蚀的问题，提高燃油的喷射效果和燃烧效率。
空化与空蚀在生产生活中的应用
【摘要】随着现代水利机向大型化，高速化发展，空化空蚀越来越引起人们的关注，我们在研究如何规避空化空蚀危害的同时，还应看到空化空蚀有利的一面，空化现在已经在清洗，破碎、切割，水处理，湖泊净化等方面发挥着巨大的作用。
本文主要介绍了空化的机理以及空化在生产生活中的应用。
【关键词】空化机；清洗水；处理破碎
0.前言
空化与空蚀是自然界中客观存在的一种物理现象，广泛存在于水利机械中。
由于压力的变化而导致的液流内空泡的产生、发展和溃灭过程以及由此产生的一系列物理和化学变化被称之为空化，当空化发生在固体表面，破坏固体材料就形成空蚀。
[1]1912年，在英国万吨级海轮上，发现海轮的低速原动机被高速原动机替代后只能航行很短的时间，其螺旋桨已经被空蚀的不能继续航行，差不多同时，德国和瑞典也都报道了水轮机被空蚀破坏的事情。
早在1753年euler就注意到水管中某处的压强若降低到负值时，水就会与管壁分离，形成一个真空空间。
1839年besant 及1873年beyonlds开始在实验室对空化进行研究。
1.空化产生的机理
1.1空化初生
空化初生是空化在局部压力降至临近液体饱和蒸汽压力的瞬间
完成的。
纯水能承受张力，但实际自然界中的水不能承受拉力，如
果水能承受1mpa拉应力，根本就不会发生空化。
这种差别可以用“空化核”理论解释，液体中存在着破坏液体均匀性的杂质，改变了液体的结构，削弱了液体的抗拉强度，从而为空化的产生提供了条件。
1.2空泡的发育与溃灭
随着液体压力的降低，液体中汽核开始形成汽泡，当压力继续降低时，汽泡在随着流动的过程中不断长大，当进入压力升高的区域时，汽泡则不断缩小而溃灭，这是一个复杂的动态过程。
1.3空蚀
空泡的溃灭过程如果发生在固体表面，从小空泡溃灭中心辐射出冲击压力波会使材料受到破坏，这种由空化作用引起材料的破坏被称为空蚀。
当然，关于空蚀的解释还有其他理论，如热力学作用，电化学作用等等。
2.空化空蚀在生产、生活中的应用
2.1在清洗方面的应用
对于清洗我们会有很多方法，有化学清洗，超声波清洗以及新兴起的高压水射流清洗等。
空化清洗主要是利用空化射流来实现的，即通过设计特定的喷嘴来诱发空化的产生，从而利用空泡破灭时产生的冲击力来去除固体表面的污垢。
虽然空化射流和高压水射流在清洗方面均有可靠、节能、安全、环保、高效等优点，但其作用机理完全和高压水射流不同。
高压水射流是利用高速水流的冲击力来进行清洗的，然而空化射流则依靠流束中大量的空化汽泡在固体表
面溃灭而产生密集射流冲击作用来达到清洗目的的。
[2]相比于高压水射流，空化射流不会产生特别大的冲击力，从而可以保护被清洗物体的防腐层，并且从清洗效率方面来讲，以清洗船舶相同平面为例，高压水射流效率约为100m2/h，而空化射流的效率为130m2/h。
所以现在空化射流清洗技术已广泛应用于海洋设施的清洗，主要案例有：
（1）海洋石油结构物清洗（2）海底石油设施的清洗（3）海洋船舶的清洗（4）海岸工程清洗等，当然空化射流清洗技术也在清洗飞机跑道方面得到了很好的应用，并且取得了非常满意的效果。
2.2在保护环境，净化湖泊中的应用
我国是一个湖泊众多的国家，大于1km2的天然湖泊有2300余个，湖泊面积为70988km2，大约占全国陆地面积的0.8%。
随着改革开放，城市化进程的不断推进，农药化肥和大量含磷洗涤剂的使用，大量未经处理的城市生活污水、工业废水排入江河湖泊中，导致江河湖泊的水体富营养化日趋严重，水污染问题已经严重制约我国经济的可持续发展。
传统的治理江河湖泊的方法有[3]（1）控制污染源，减少污水的排放；（2）在水面中种植高等植物等生物治理法，让植物在水中生长、吸收氮、磷等营养盐，同时植物的根系对水中悬浮物的吸附也有净化作用；（3）采用清淤挖泥的方法；（4）采取引水冲污的方法稀释水中的氮、磷等营养盐和藻类的浓度。
空化治理营养化水的机理：（1）直接热分解，空化产生的热汽泡
内热点温度5200k左右，汽泡壁面上的温度约为1900k，泡内压力约为500mpa，这样的条件下可以直接杀死细菌、浮游生物；（2）自由基氧化，空泡溃灭时水发生裂解，水中局部产生有高浓度的氧化剂如oh 和h2o2，他们能直接氧化水中的化学污染物；（3）超临界水氧化，水体中空化区域存在着局部超临界水，超临界水具有强氧化能力，可以处理有害有机物。
所以可以看出空化法治理具有方便、简单、高效等优点。
2.3在破碎、钻井方面的应用
空化现象发生会产生很大的脉冲压力，射流冲向岩石表面时有时是液体冲击岩石，有时是空泡冲击岩石，由于冲击物的质量波动，造成岩石表面压强波动，导致岩石在瞬时拉应力的作用下破坏和交变应力作用下疲劳损坏，所以空化射流可以大大提高射流对岩石的破碎和切割能力，除了很好的破碎作用外，空化射流破碎还具有安全的特点，特别适合在易燃、易爆的环境下使用。
空化射流破碎钻井有如下优势：空化射流掘进机是利用空化射流辅助技术对岩石进行破碎，以往的破碎技术，刀具容易破坏，更换频率高，影响工作进度。
研究表明，在空化射流辅助掘进时，材料耗能成本每平米比以往降低34.5%。
传统的炮式巷道掘进会产生很多烟尘，使工人作业的环境粉尘浓度极高，这不仅加大了开采的难度，阻碍开采进度，更重要的是威胁着工人的健康。
研究表明工作面采用空化射流辅助掘进大大减少了环境中粉尘浓度，仅为普通凿岩的18.5%。
因此，空化射流技术在改善环境，保障工人的健康等方面具有其突出的功
效。
2.4水处理方面的应用
[4]空化射流特别适合处理乳化含油废水，刘峰、朱南文、王亚林等人研究了不同废水含油浓度、不同表面活性剂含量、不同射流空化强度以及不同油滴粒径与除油率的关系，实验结果表明：在空化系数为0.121的空化强度下，高浓度含油废水经过一次射流空化处理后，去除率可达85%；经过三次处理后去除率大于95%，达到二级排放标准。
3.结束语
长期以来人们都在研究如何规避空化危害的措施，很少有人认识到空化背后可以为我们所用的东西，随着人们对空化机理认识的深入，人们逐渐发现空化的巨大价值，空化已经被越来越多的应用在我们的生产、生活中。
在清洗，破碎，水处理等方面有其独特的优势，相信空化会有更加广泛的应用前景。
【参考文献】
[1]杨诗成，王喜魁.泵与风机（第四版）[m].中国电力出版社，2012.
[2]夏宝莹，刘望，郑金豹，黄皓，崔健.空化射流清洗技术及其在水下设施清洗中的应用[j].油气储运，2011.
[3]廖振芳，陈德淑，邓晓刚.利用空化射流清洗湖泊[j].清洗世界，2004.
[4]李健.空化射流技术在水处理中的应用[j].科技信息，2011.。
