超空化

空泡(Cavity)是在液體介質遭到連續性破壞的基礎上出現的，是壓力降低的結果。或者說，當液體內某點壓力降低到某個臨界壓力以下時，液體發生汽化，先是微觀的，然後成為宏觀的小氣泡，爾後在液體內部或液體與固體的交界面上，匯合形成較大的蒸汽與氣體的空腔，稱為空泡。空泡的產生、發展與潰滅過程稱為空化現象(Cavitation Phenomenon)。液體中存在氣核(微小氣泡)和壓力降低是空化發生的兩個必要條件。

根據壓力降低的原因，空化可分為兩大類：由於局部速度增大導致壓力降低到I臨界壓力以下而發生的空化稱為流體動力空化(Hydrodynamic Cavitation)；由於液體中波場的出現而導致壓力降低發生的空化稱為聲學空化(Acoustic Cavitation)。

空化現象是人們生活中和工程上經常觀察到的一種物理現象。例如，液體管道中橫截面積變小處出現的氣泡、橋墩尾流旋渦中的氣泡、螺旋槳葉片升力表面出現的空泡、魚雷高速入水時形成的大空泡以及水壩溢洪流道中產生的大量氣泡等，這些都是空化現象。

空化一詞是在19世紀末開始出現的，據說是由弗勞德(Froude)提出的。在此之前，歐拉(Euler)、雷諾(Reynolds)等人都曾經對旋轉機械中液體的行為問題發生懷疑，觀察過水力渦輪與船舶螺旋槳的空化現象。1895年巴納比(Barnaby)、帕森斯(Parsons)在分析螺旋槳效率嚴重下降的原因時發現空泡的影響，並且建立了第一個水洞來研究這個問題。此後，經過100多年的努力，逐步加深了對空化問題的認識，取得了許多輝煌的成就。但另一方面，由於空化現象的複雜性，至今仍有一些問題未被完全掌握，有待進一步探索與研究。

研究水下運動體時，人們首先關心的是運動體是否發生了空化，以及空化程度如何。物體與液體存在相對運動時的空化狀態(CavitationState)，可分為：

1)非空化狀態(Non Cavitation)

非空化狀態是指運動體附近流場中沒有發生空泡的狀態，物體表面處於完全沾濕狀態(圖1(a))。

2)臨界空化狀態(Critical Cavitation)

臨界空化狀態是指在物體附近流場中的最低壓力開始降到液體的蒸汽壓力，流場中的最低壓力點通常位於物面上，物面上的該點開始出現空泡的狀態(圖1(b))。臨界空化狀態有時也稱為初生空化狀態(Initial Cavitation)。

3)局部空化狀態(Partial Cavitation)

局部空化狀態是指在物體局部表面上和鄰近液體內部已經出現成片的空泡狀態(圖1(c))。這種狀態下產生的空泡一般都是或專指附體空泡，稱為局部附體空泡(Partially Attached Cavity)。

4)超空化狀態(Super-Cavitation)

超空化狀態是指在整個物體表面上和物體尾端附近的液體中都出現空泡的狀態。超空化狀態下(圖1(d))，形成的空泡猶如一個大汽/氣袋，超過物體的尾端，或把整個物體裝於其中，這種空泡稱為超空泡(Supercavity)。

超空穴

超空穴(super-cavitation)，亦即“超空化”。空化區長度超過繞流體範圍時的空化。由水流中低壓區壓力的進一步降低、空化區範圍不斷發展而形成。水流中形成超空化后，會加大水流阻力。超空化的空泡潰滅區遠離結構物，結構物本身不發生空蝕。工程上利用此特性，對某些結構設計成超空化形式，作為一種減免空化的措施。

超空穴尺度控制

由於超空穴中心最大截面的直徑D、空穴總長度L等超空穴尺度，與空化數σ、空化器直徑D、空化器阻力係數C都有關係。因此，常可通過改變σ和C來控制空穴尺度。

如通過向空穴供氣，增加空穴內通氣壓力P，可使空化數σ減小。考慮到空化數σ與通氣流量有一定的關係式，用人工通氣方法減小σ值有一極限，即可達到的最小空化數σ，即

故通氣空穴中σ的變化有一定範圍，即

通常，在物體運動速度較小()時，用通氣方法控制超空穴尺度是有效的，而當速度U遠大於時，人工通氣便無意義。

對於用C的變化以控制超空穴尺度的方法，如在圓錐體空化器中，因其阻力係數C與圓錐半形β有關，選用不同的β角可使C值有很大變化，如圖2所示。對一定的圓錐半形β的空化器，還可改變圓錐體的高度改變C值，在圖2中，一個直徑D和半形β都不變的圓錐空化器，在套筒內滑動時，阻力係數C值隨也會有很大變化。

空化器形狀變化，不僅可產生流體阻力的變化，還可同時產生升力，它對保持物體超空泡運動的穩定性有重要意義。對一個與來流傾斜的曲面空化器，如圖3所示，水流對空化器有壓力合力F和力矩M(M一般很小)作用。如這些力的作用，使空化器減少攻角α，則該空化器自身是靜穩定的，否則是靜不穩定。所以，對裝置有空化器的物體來說，為使該物體在超空泡中具有良好的運動穩定性，總要求空化器自身是靜穩定的。

從圖3所示的受力分析可知，空化器靜穩定的條件為

對平面空化器，水流的壓力合力F與平面垂直，此時，故平面(板)空化器是中性穩定的。對曲面空化器，通過計算或經驗可知，對著來流為凹面的曲面空化器，是靜穩定的，而對著來流為凸面的空化器，因是靜不穩定的。

超空化的翼型

超空化的水力機械轉輪葉片的翼型與普通的空氣動力翼型，無論是在形狀上還是在動力特性上均有很大的不同。

圖4為普通翼型與某種超空化翼型的壓力分布圖。普通的空氣動力翼型均為前半部較厚，尾部較薄的流線型翼型，翼型繞流產生的升力主要是靠翼型背面壓力降低來實現的。超空化翼型的最大厚度靠近翼型的尾部，而翼型的前半部較薄，翼型繞流升力主要靠翼型正面壓力形成；工況變動時，翼型背面的壓力變化較小，而正面始終保持正壓。

超空化翼型在超空化工況下繞流時(圖5)，汽穴的長度 同翼型弦長的比值 應大於3～4，至少不能小於1.5，否則汽穴的不穩定工況將對翼型表面的繞流有干擾。

超空化的翼型種類很多，國外已研製出用於螺旋槳、水泵等水力機械的各種性能良好的超空化翼型。試驗表明，超空化泵雖然最高效率比一般水泵低，但在空化工況下，超空化泵的性能大大優於一般的水泵，即超空化泵已不再受空化的限制而能保持較高的運行效率。