地震地热说原理：知识库15

空泡的溃灭(3)

本文节译自《CAVITATION AND BUBBLE DYNAMICS》by Christopher Earls Brennen  © Oxford University Press 1995。此书从网上免费下载。作者只节译自己所需章节，用作公益性科学研究的基础资料，非商业用途。作者不懂节译是否涉及版权问题。如有不当，请专家们指正。谢谢原作者，也谢谢张宇宁先生推荐。           Seisman  2011.8.6 记

3.6 气蚀损伤

当空泡在固体表面附近溃灭时，会造成材料的损伤。这或许是由空化现象引起的最普遍的工程问题。因此，多年来人们对这个问题作了相当深入的研究（例如，ASTM 1967，Thiruvengadam 1967、1974 以及 Knapp，Daily 和 Hammitt 1970年）。由于涉及到复杂的非定常流现象以及固体表面特殊材料的反应过程，因而其解决非常困难。在给定的应用中，存在许多旨在帮助工程师评估潜在的气蚀损伤率的经验性规律。尽管如此，仍然有许多涉及气蚀损伤基本机制的问题尚未解决。

在前面的章节中，我们已经看到，空泡溃灭是一个能产生高度集中的大振幅冲击波（3.2节）和微回流（3.5节）的剧烈过程。当这种溃灭发生在接近固体的表面时，强烈的扰动会产生高度集中的暂态的表面应力。这钟由于反复溃灭而引起的荷载会导致局部表面疲劳破坏，进一步造成材料的脱离或剥落。这是大家普遍认同的对气蚀破坏的解释，也与硬质材料受损害的冶金学特征一致。图3.11是一幅泵叶片局部受气蚀破坏的典型照片。材料中受到气蚀破坏的部分通常具有与疲劳破坏一致的锯齿状结晶外观，而受到固体颗粒侵蚀的部分表面光滑。这使得我们很容易将两者区分开来。当有钢铁存在时，腐蚀作用往往加快了气蚀破坏的速度。

图3.11 混流泵叶片受到的典型气蚀破坏。

附带地，我们注意到，在软质材料中经常能观察到由单个空泡溃灭形成的空洞。由于在实验中能够较为容易地研究这一过程，因此人们得到了大量关于软质材料的研究成果。这些结果表明回流能够造成气蚀。不过，这并不表示造成硬质材料损伤的机制是相同的。

气蚀破坏是由回流引起的？是由冲击波造成的？还是两者共同作用的结果？事实上，对于这一问题，学界已经争论了多年。在二十世纪四五十年代，人们研究的重点是球形空泡溃灭所产生的冲击波。当 Naude 和 Ellis（1961年）及 Benjamin 和 Ellis（1966）首次观察到回流现象后，工作重点转移到研究这些回流所产生的脉冲压力上。但是，即使是在由回流所造成的破坏之后，残余的空泡云也将继续整体溃灭。尽管不再是单个的空泡，这些残余空泡云仍然会表现出相同的定性动态行为，并可能在溃灭后继续产生冲击波。其后在日本进行的两项重要工作将研究重点转移到了由残余空泡云产生的冲击波上。首先是 Shima 等（1983）利用高速纹影摄影显示，在体积变为最小的时刻，残余空泡云的确生成了一个球形的冲击波。图3.12是有关空泡溃灭及其对应压力轨迹线的一组照片。其中空泡云体积变为最小的时刻在第6帧与第7帧之间。我们可以清楚地在图中看出，在那一时刻压力也达到了最大值。结合纹影照片展现出的在该时刻生成的球形冲击波，我们似乎可以认为回流在整个过程中的影响是次要的。约在同一时间，Fujikawa 和 Akamatsu（1980）在实验中使用了光弹材料，这使得他们可以观察作用在固体上的应力，并同时测量声波脉冲。以空泡的初次溃灭作为触发，Fujikawa 和 Akamatsu 利用一个可变的延迟时间拍摄了与二次溃灭相关的各种瞬间的固体应力状态的照片。他们同时记录液体的压力，证实了材料中的脉冲压力与声波脉冲几乎是在同一时刻（时间差在 1•s 内）产生的。他们还指出，这一时刻就是空泡云体积最小的时刻，冲击波并不是由回流产生的。

图3.12  关于空泡溃灭及其对对应壁体压力轨迹线的一组照片。

每一张照片的拍摄时间均对应标记在压力轨迹线上。

图片据 Shima，Takayama，Tomita 和 Ohsawa（1983），经作者许可转载。

然而，在后来的研究中，Kimoto（1987）观察到了两种应力脉冲。它们分别是由回流撞击和残余空泡云溃灭的冲击波形成的。通常情况下，后者引起的脉冲压力是前者引起的压力的2至3倍。但似乎两者都可能会形成材料表面的冲击载荷。

至于详细比较各种材料对气蚀破坏的敏感性的实验，读者可以参考 Knapp，Daily 和Hammitt（1970）的结果。标准的仪器设备已被用于这类实验。一个最常见的试验是：让样本在液体中自由振荡，使得其在样本表面产生周期性的空泡生长和溃灭过程。整个试验将持续若干小时并定期称量样本的质量。试验结果表明材料的损耗速率不是恒定的。导致这种现象的原因可能有两个：一是与疲劳失效过程相关的时间常数，二是由材料中损坏的不规则表面所引起的变型空化作用。一般情况下，这些样本原核都是在磁力控制设备下进行测试的，以达到 5kHz 或者 20kHz 的标准频率。因为这种标准频率与液体中大部分样本原核的固有频率接近（见4.2节），故能在试样表面上产生最大的空化气泡云。除了磁力控制设备之外，标准的材料敏感性试验也会使用空泡文丘里管和旋转磁盘。

在大多数时候，气蚀作用对设备装置是有害的。不过，在某些情况下我们也能利用这种现象。例如，在高速水射流切割岩石的部分原理中，就利用到了水流流过岩石表面时所产生的气蚀作用。许多读者也见过牙医利用高速的空蚀微流来清洁牙齿。利用了声空化作用的声波清洗器可以帮助戴假牙的人群清洗假牙。与此形成对比的是，有人怀疑剧烈的空泡溃灭过程是造成人体头部受伤时主要脑组织损伤的元凶。

3.7 云溃灭的危害

图3.13 由声波激发的瞬态空化空泡云。据 Plesset 和 Ellis（1955）

   通过观察可以发现，实际应用中气蚀破坏往往发生在设备的局部。例如，泵机的叶轮。这通常是连续的周期性的空化空泡溃灭的结果。上述在磁力控制设备中进行的测试就是如此。图3.13展示了典型的由声波激发的空化空泡云。对于其他液压机而言，这种云溃灭可能是由于空化涡旋脱落或者流体中的周期性扰动造成的。属于后一种情况的例子有：泵机或者涡轮机中转子叶片和定子叶片之间的相互作用，以及船舶螺旋桨和其后侧不均匀尾流之间的相互作用。在这些实例中，连续的云溃灭总是能比稳定流产生更强的噪声和破坏潜力。因此固体表面上受破坏最严重的区域就是云溃灭的位置。图3.14就是有关这种现象的一个例子（Soyama，Kato 和 Oba（1992））。在左图中，我们可以看到空化云正与一台离心泵的叶片前缘发生脱离并在特定的位置溃灭。这就导致了右图中所显示的局部损坏。

图3.14 一台离心泵叶轮中心底座的空化形成和空蚀破坏的轴向视图。两幅照片显示的是同一区域：左图显示的是流动过程中典型的空化模式，右图显示的是典型的空蚀破坏。图片的左上角和右下角显示出了部分叶片。相对于这些叶片，流体的流动方向为自左下角向右上角。离心泵的叶片前缘位于左上角处叶片的左侧，没有在照片中显示出来。

据 Soyama，Kato 和 Oba（1992），经作者许可转载。

   就在本书写作的过程中，又出现了大量有关空化云动力学的新研究成果。在6.10节中，我们将对球形空泡云的基本动力学特征进行分析。通过这些分析我们发现，空泡之间的相互作用使空泡云具有一致的动力学特征，其固有频率可以远远高于单个气泡的固有频率。这些研究表明，整个空泡云的溃灭强度可以超过单个空泡。然而，人们并未给出这种现象的完整解释。

未完待续。

（2011.11.17 陈立军、陈晓逢译，陈立军校）