空穴现象

✍ dations ◷ 2025-06-07 00:06:47 #空穴现象

空穴现象（Cavitation），又译气穴现象、气蚀现象或空洞现象，指的是在流动的液体中气相的空穴 – 亦即极小的无液体空间（“气泡”或“空隙”） – 产生与消灭的一种物理现象，是力作用在液体的结果。液体受到压力的快速改变时会产生空穴，此时的压力通常相当低，除了液体本身的蒸汽压，可以说是真空。当环境的压力变高，空穴分裂，产生强力的冲击波。空穴现象是在工程环境中造成磨损的主要原因之一：在金属表面旁瓦解的空穴反复消灭，造成循环应力，将造成金属的表面疲劳。最常见的例子是泵的叶轮和弯曲处，此处最容易有液体瞬间的方向改变发生。空穴现象通常分为两种：惯性（或瞬态）空蚀和非惯性空蚀。在流动的液体中，压力（水的话大气压的1/50程度）在非常短的时间内比饱和蒸气压力低的时候，液体中会滚沸并存在100微米以下非常小的气泡核。有气泡核，气泡才能产生。根据压力的变化而滚沸，气体的体积也随着变化，气泡的大小也会改变。膨张与收缩的反复，应对于压力而变小。在变小的过程中，在螺旋桨等坚硬的表面上，气泡的黏性和表面张力的作用下，气泡以喷气飞机般的高速，与表面冲突，之后气泡分裂。这个喷气流在坚硬的表面上产生腐蚀。这个过程为气泡运动力学的瑞利(Rayleigh)运动方程式。最终周围的压力比饱和蒸气压力高、周围的液体向着气泡的中心冲去，气泡消失瞬间，因为在中心冲突，发生细小而强力的压力波，引起噪音、振动。过高的压力也会损坏金属。炸弹在水中爆炸时会有大量高压气泡造成破坏，这时的cavitation波叫做bulb pulse。水中的空穴现象产生30微米左右的气泡、50KHz以上高速减退的高周波水中振动波（水中音波）。鼓虾的巨螯能利用空穴现象攻击猎物。在庭院撒水的时候，将水管弯曲时变狭小的地方所发出的声音就是因为发生了空穴现象。透明的管子的话，在弯曲处的数厘米处，内部的水看起来是白色浑浊的。用超音波来产生空穴现象，清除物体表面污垢。空穴现象的发生是因为产生的气泡、水泵或涡轮等不能充分的推动水流、换句话说就是接近空转的状态。无用的能源被消耗，使得机器的效率低下。而且同时产生的压力波使的这些机器的转动翼表面腐蚀，效率下降或损坏。水冷引擎的水泵涡轮损耗。为了不发生空穴现象，有形状与面积的两个方法：增加水中移动物体的速度,会令空穴现象所产生的气泡量増加,最后气泡完全覆盖物体。这效应为超空蚀(super cavitation)。利用这个原理提高速度的物体的推进系统为超空蚀推进系统（super cavitation propeller SCP）。除去移动方向的部分，物体因为不与水接触，基本上不会与水摩擦，因此能在水中超高速前进。

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