氣穴現象

氣穴現象

氣穴現象(Cavitation),又譯空穴效應、氣蝕現象、空蝕現象、空穴現象或空洞現象,指的是在流動的液體中,因為壓力差在短時間內發生氣泡的產生與消滅的物理現象。

定義

氣穴現象(cavitation,airlock)又稱空穴效應、空化現象,是一種科學現象,一般是指由於機械力(如由穿用的鏇轉機械力)產生的致使液體中的低壓 氣泡突然形成並破裂的現象。由於學科的不同而有幾種定義:

定義一

氣穴現象 氣穴現象

在密封端面間局部產生汽(或氣)泡的一種現象。通常發生在壓力迅速減少的區域。

套用學科:機械工程(一級學科);機械零件(二級學科);機械密封(三級學科)。

定義二

在水泵入口處,如果水的絕對壓強低於該溫度下水的飽和蒸汽壓,將形成汽泡,汽泡進入葉輪的高壓區迅速破裂,產生高壓水力衝擊和振動的現象。

套用學科:煤炭科技(一級學科);礦山機械工程(二級學科);排水機械(三級學科)。

定義三

植物木質部導管內局部出現氣泡的現象。氣穴的形成導致導管堵塞,致使輸水通道導水率降低。

套用學科:生態學(一級學科);生理生態學(二級學科)。

分類

液體的氣穴現象

氣穴現象 氣穴現象

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,在螺鏇槳等堅硬的表面上,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。過高的壓力也會損壞金屬。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以上高速減退的高周波水中振動波(水中音波)。

聲波的氣穴現象

氣穴現象 氣穴現象
研究:用20至40千赫的 聲波 進行了實驗,聲波在濃硫酸液體中產生高密度與低密度2個快速交替的區域,使得壓力在其間震盪,液體中的氣泡在高壓下收縮,低壓下膨脹,壓力的變化非常快,致使氣泡向內炸裂,有足夠的力量產生熱,這一過程被稱為 聲學 的氣穴現象。

流體力學原理

高速液體繞物體和繞角點流動的壓強降(可根據伯努利方程定性得到這一結論,即速度高的地方壓強低)可導致局部有界的氣泡或氣體生成,此現象稱為氣穴,也叫做空化現象,是局部有界的閃蒸發並隨後的凝結,或是由於壓強降低致使溶解在液體中的氣體的釋放。

有時出現在水力機械,如泵、渦輪、閥或燃燒發動機中的引射噴管等中。由於其不利影響,長期以來許多學者對氣穴現象進行了細緻的研究,目的在於找出其發生及其大小的準則,很多論文和書籍闡述了氣穴領域的問題,例如那甫,戴利,哈明特(1970);阿克斯泰,派金(1975);阿特(1981);羅德(1991);布雷能(1995);萊考費(1999)等。

套用

水下武器

氣穴現象在水下武器中的套用,比如海底子彈,當 子彈 由特別的物體發射出去後,在它的前部會形成一種類似於氣泡狀的東西,它的形成會讓子彈的阻力減小,以增加威力。

鼓蝦捕食

鼓蝦的巨螯能利用氣穴現象攻擊獵物。

庭院撒水

在庭院撒水的時候,將水管彎曲時變狹小的地方所發出的聲音就是因為發生了氣穴現象。透明的管子的話,在彎曲處的數厘米處,內部的水看起來是白色渾濁的。

超音波洗淨機

超音波來產生氣穴現象,清除物體表面污垢。

渦輪螺鏇槳

氣穴現象的發生是因為產生的氣泡、水泵或渦輪等不能充分的推動水流、換句話說就是接近空轉的狀態。無用的能源被消耗,使得機器的效率低下。而且同時產生的壓力波使的這些機器的轉動翼表面腐蝕,效率下降或損壞。

內燃機

水冷引擎的水泵渦輪損耗。

危害

對液壓裝置的危害

氣穴現象使液壓裝置產生噪聲和振動,使金屬表面受到腐蝕。

氣穴產生時,液流的流動特性變壞,造成流量不穩定,噪聲增加。特別是當帶有氣泡的液壓油液被帶到下游高壓部位時,周圍的高壓使絕熱壓縮,迅速崩潰,局部可達到非常高的溫度和衝擊壓力。這樣的局部高溫和衝擊壓力,一方面使那裡的金屬疲勞,另一方面又使液壓油液變質,對金屬產生化學腐蝕作用,因而使元件表面受到侵蝕、剝落,或出現海綿狀的小洞穴。這種因氣穴而對金屬表面產生腐蝕的現象稱為氣蝕

對於液壓工具機來說,氣穴現象會引起振動和噪音,不但對影響工具機的性能還會造成人身傷害。

防止方法

為了不發生空穴效應,有形狀與面積的兩個方法:

1、流體的壓力在飽和蒸氣壓力以上,最佳化流體接觸面的形狀。

2、與流體的接觸面積變大,在飽和蒸氣壓以上,能夠傳達必要的力、將螺鏇槳變大。 

超空蝕效應

增加水中移動物體的速度,會令空穴效應所產生的氣泡量増加,最後氣泡完全覆蓋物體。這效應為超空蝕(super cavitation)。利用這個原理提高速度的物體的推進系統為super cavitaion propeller(SCP)。

除去移動方向的部分,物體因為不與水接觸,基本上不會與水摩擦,因此能在水中超高速前進。

事例

皮鞋開紅酒瓶 皮鞋開紅酒瓶

2014年1月,法國酒莊酒類專家克朗克拍攝短片,向網友展示了“鞋子開紅酒瓶”的獨特技巧。他把皮鞋脫掉,然後把酒瓶底部放進皮鞋腳跟部分位置,再一手橫握酒瓶,一手握皮鞋,把鞋底撞向牆壁數次,木塞便被推出來,非常神奇。

有網站就此解釋稱,這種過程叫“氣穴現象”。原本在酒瓶頂部的氣泡在酒瓶倒轉時會移向瓶底,當酒瓶撞向牆壁時,氣泡便會壓縮。瓶內容量雖然不變,但氣泡和酒的體積會變小,酒瓶經連環撞擊後,氣泡便沖向木塞,令它鬆脫。

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