空泡

空泡是指一部分壓力降至水飽和蒸氣壓以下時產生的氣泡，這些氣泡是由蒸氣和某些溶解於水中的氣體組成的。空泡產生於發聲的振動板的周圍，或產生與單位面積升力大的水翼（如水翼或船的螺旋槳）的周圍。也就是說，這些物體的表面壓力劇烈下降，最終下降到所在溫度的飽和蒸氣壓以下，這時先生成微小的氣泡，然後氣泡吸收去氣體而逐漸增大。

隨著空泡產生，氣泡流向下游，一般說，空泡周圍的壓力會再度上升，而空泡趨向消失。然而，由於空泡是突然產生的，衝過來的水力會使氣泡破裂，並且又激烈地相互碰撞和相互排斥，氣泡在造成的衝擊狀態中反覆地被破壞和產生。

這種現象會引起周圍的流體產生劇烈的壓力變化，發出雜訊。在那裡的物體表面除受到衝擊引起損傷之外，還會導致阻力顯著地增大。為此，在設計水中運轉的機械時，不要造成會產生空氣泡的形狀，或者設計成即使產生空泡，也不至於對該機械帶來不良影響的形狀。

水翼船的一個優勢是具有較高的航速，但是在過高的速度下，水翼將產生空泡，空泡會使水翼的流體動力性能惡化，所以在設計中必須考慮空泡對水翼船性能的影響，對空泡進行校驗，避免空泡的產生。

水翼在水中運動時，其表面壓力發生變化，當水翼低壓區的壓力降低到臨界值以下時，水開始汽化，產生空泡。一般認為，壓力的臨界值即為該溫度時水的汽化壓力(或稱飽和蒸汽壓力)。

空泡發展過程分為三個階段。在空泡的第一階段，空泡區域是局部的，空泡在低壓區形成，進入高壓區以後，在水翼隨邊前面的表面處潰滅，對水翼的升力和阻力沒有明顯影響，但對水翼表面產生剝蝕。在空泡第二階段，水翼上表面形成為一個很大的空泡腔，空泡在水翼的後方潰滅，對水翼表面不產生剝蝕作用，但使水翼的升力和阻力都下降。在空泡第三階段，空泡腔覆蓋了整個水翼，這時水翼的上表面全部被氣泡覆蓋，這種狀態也稱為全空泡狀態。此狀態下，由於濕面積減少，水翼升力和阻力均大幅下降。

檢驗空泡是否發生的標準就是翼背壓力最低點是否達到該溫度時的飽和蒸汽壓，即。

用無因次表示壓降係數為令產生空泡時的壓力為p，則定義空泡數這時空泡產生的條件為只要最大壓降係數大於等於空泡數，則水翼翼背就會產生空泡。

在設計水翼船時，可以通過空泡斗曲線得到不產生空泡的水翼工作區域。空泡斗曲線可以通過理論計算或試驗得到，根據不同的設計需求其形式多樣。有的顯示水翼在時所對應的水翼攻角和空泡數之間的關係曲線(圖1(a))，有的通過水翼升力係數與航速之間的關係曲線來顯示空泡界線(圖1(b))。水翼船在空泡斗曲線邊界線以內航行才能避免空化，在設計水翼時，需要加上一定的安全裕量。

空泡腐蝕也稱空蝕、氣(汽)蝕，是一種特殊形式的沖刷腐蝕，是由於金屬表面附近的液體中空泡潰滅造成表面粗化、出現大量直徑不等的火山口狀的凹坑，最終喪失使用性能的一種破壞。空泡腐蝕只發生在高速的湍流狀態下，特別是液體流經形狀複雜的表面，液體壓強發生很大變化的場合，常常發生在高速流體流經形狀複雜的金屬表面，液體壓強變化的場合，如汽輪機葉片、船用螺旋槳、泵葉輪、閥門及換熱器的集束管口等。

根據流體動力學的Bernoulli定律，在局部位置當流速變得十分高，以至於其靜壓強低於液體汽化壓強時，液體內會迅速形成無數個小空泡。氣泡主要是水蒸氣以及少量從水中析出的氣體。空泡中主要是水蒸氣，隨著壓力降低，空泡不斷長大，單相流變成雙相流。氣泡隨液體到達壓強高的區域時，氣泡破滅，同時產生很大的衝擊壓強。由於潰滅時間極短，約10s，其空間被周圍液體迅速充填，造成強大的衝擊壓力。大量的空泡在金屬表面某個區域反覆潰滅，足可以使金屬表面發生應變疲勞並誘發裂紋，導致空泡腐壞，如圖2所示。

早期的一些研究者強調空泡腐蝕的電化學作用，後來理論計算(氣泡破滅產生的衝擊壓強可達103MPa)和實驗測量表明，空泡破滅的機械作用足以使韌性金屬發生塑性變形或使脆性金屬開裂。空泡潰滅造成的機械破壞最初認為是由空泡潰滅產生的衝擊波引起的，後來的研究表明空泡潰滅瞬間產生的高速微射流也有重要的作用。關於空泡腐蝕的機理，存在兩種較容易接受的金屬材料空蝕破壞機制，即衝擊波機制和微射流機制。

液體內局部壓力的起伏而引起蒸氣泡的形核、生長及潰滅的過程會導致空泡的產生。當液體內的靜壓力突然下降到低於同一溫度下液體的蒸氣壓時，在液體內就會形成大量的空泡，而空泡群進入較高壓力的位置時，空泡就會潰滅。空泡的潰滅使氣泡內所儲存的勢能轉變成較小體積內流體的功能。使流體內形成流體衝擊波。這種衝擊波傳遞給流體中的金屬構件時，會使構件表面產生應力脈衝和脈衝式的局部塑性變形。流體衝擊波的反覆作用使金屬材料表面出現空蝕坑。

由於液體中壓力的降低而產生了大量的空泡，空泡在金屬材料邊壁附近或與邊壁接觸的情況下，由於空泡上下壁角邊界的不對稱性。故在潰滅時，空泡的上下壁面的潰滅速度是不同的。如圖3所示，遠離壁面的空泡壁將較早地破滅，而最靠近材料表面的空泡壁將較遲的破裂。於是形成向壁的微射流速度可達100～400m/s。此微射流在極短的時間內就完成對金屬表面的定向衝擊，所產生的應力相當於水錘作用。

流體力學(機械)因素對空泡腐蝕的貢獻是主要的，但在腐蝕介質中，電化學因素也是不能忽視的。兩者之間存在著協同作用。空泡潰滅破壞了表面保護膜，促進腐蝕；另一方面，蝕坑的形成進一步促進了空泡的形核，已有的蝕坑又可起到應力集中的作用，促進了物質從表面和基體的剝離。一般在應力不太大時，腐蝕因素與機械因素不相上下，腐蝕因素(介質的成分、合金耐蝕性和鈍性、電化學保護或應用緩蝕劑等)對空泡腐蝕有很大影響，隨流體的腐蝕性增大，空泡腐蝕將更為嚴重；當應力很大時，如在強烈的水衝擊下，機械因素的作用將顯著增加。