空穴現象

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空穴效應(Cavitation),又譯氣穴現象氣蝕現象空蝕現象空穴現象空洞現象,指的是在流动的液体中,因为壓力差在短时间内发生气泡的产生与消灭的物理現象。

效應[编辑]

在流動的液體中,壓力(水的話大氣壓的1/50程度)在非常短的時間內比飽和蒸氣壓力低的時候,液體中會滾沸並存在100微米以下非常小的氣泡核。有氣泡核,氣泡才能產生。

根據壓力的變化而滾沸,氣體的體積也隨著變化,氣泡的大小也會改變。膨張與收縮的反覆,應對於壓力而變小。在變小的過程中,在螺旋槳等堅硬的表面上,氣泡的黏性和表面張力的作用下,氣泡以噴氣飛機般的高速,與表面衝突,之後氣泡分裂。這個噴氣流在堅硬的表面上產生腐蝕。這個過程為氣泡運動力學的瑞利(Rayleigh)運動方程式。

最終周圍的壓力比飽和蒸氣壓力高、周圍的液體向著氣泡的中心衝去,氣泡消失瞬間,因為在中心衝突,發生細小而強力的壓力波,引起噪音振動。過高的壓力也会損壞金屬。炸彈在水中爆炸時會有大量高壓氣泡造成破壞,這時的cavitation波叫做bulb pulse。

水中的空穴效應產生30微米左右的氣泡、50KHz以上高速減退的高週波水中振動波(水中音波)。

效果[编辑]

鼓虾捕食[编辑]

鼓虾的巨螯能利用空穴效應攻击獵物。

庭院撒水[编辑]

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。

超音波洗浄机[编辑]

超音波来产生空穴效應,清除物体表面污垢。

涡轮螺旋桨[编辑]

空穴效應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,效率下降或損坏。

内燃机[编辑]

水冷引擎的水泵涡轮损耗。

导弹发动机[编辑]

防止方法[编辑]

为了不发生空穴效應,有形状与面積的兩个方法:

  • 流体的压力在饱和蒸气压力以上,最佳化流体接触面的形状。
  • 与流体的接触面积变大,在饱和蒸气压以上,能够传达必要的力、将螺旋桨变大。

超空蝕[编辑]

增加水中移动物体的速度,會令空穴效應所产生的气泡量増加,最後氣泡完全覆盖物体。这效應為超空蝕(super cavitation)。利用这个原理提高速度的物體的推進系統为super cavitaion propeller(SCP)。

除去移动方向的部分,物體因为不与水接触,基本上不會與水摩擦,因此能在水中超高速前進。