空化与空蚀研究

国基础科学·综述评述空化与空蚀研究◆陈大融摩擦学国家重点实验室(清华大学),北京100084摘要空化是一种自然现象,从认识“滴水象。英国皇家海军委任 Lord rayleigh着手进行研穿石”起,人们就将注意力集中在源于空化的究,1917年 Rayleigh提出了较为系统的空化理论,建各种损伤过程上。由于对空泡生成、坍縮、溃立了描述自由空泡运动的方程。在此基础上, Pless进一步研究,得到了著名的 Rayleigh- Plesset方程,形天,直至形成微激波、微射流的机理尚不清成了空泡动力学的基础。随着高速机械的发展,涉楚,历经百余年的研究,仍然没有形成有效解及微射流损伤的领域也越来越多,例如水电、火电、决空蚀损伤、空蚀噪声等问题的关键技术。核电、运输、采矿、化工和医学等与介质高速流动相另一方面,空泡坍缩、溃天过程所形成的极端关的领域。由于空蚀发生机理至今尚不明确,在这些领域微射流损伤均属于难以解决的关键科学技术物狸、化学、力学环境、空泡内部物质的特殊物问题1。理化学状态及其转化过程,可为寻找自然界深层次规律的科学研究提供新的途径,形成的关、空蚀损伤的危害性键技术将为国民经济与国家安全的发展儆出巨大贡献,并将最终造福于人类。1.水轮机与汽轮机空蚀损伤据文献报道2,中国已建成的很多水电站的水关键词:空化空蚀微激波微射流声化学轮机空蚀破坏非常严重,导致效率下降、出力减少超声医学中子聚变振动加剧,不仅威胁水电站的安全运行,也严重威胁中图分类号:TP601文献标识码:A电网的安全运行。汽轮机也存在同样的问题,无论文章编号:1009-2412(20100600305国产还是进口的大型汽轮机,末级叶片型线下部出DOI:10.3969/j.issn.1009-2412.2010.06.001汽边均易发生冲蚀损伤,成为效率下降并影响大型机组安全运行的普遍问题3。我国水电机组每年由空化( cavitation)是指液体内局部压强降低到饱于空蚀损伤造成的发电量损失超过1280亿度2,火和蒸气压之下时,液体内部或液固交界面上出现的电机组由于冲蚀损伤造成的发电量损失超过2430蒸气或气体空泡形成、发展、坍缩和溃灭的过程亿度3,两者每年的发电量损失大约相当于5个空蚀是指空泡坍缩形成微激波与微射流,攻击峡电站全年的发电量,直接经济损失超过1500亿元壁面形成损伤的过程。空蚀过程在水轮机领域称为人民币。气蚀、在螺旋桨领域称为剥蚀、在汽轮机领域称为水国内外对水轮机与汽轮机叶片损伤机制已经进蚀、在水力机械领域称为冲蚀,所描述的都是相同的行了数十年的研究,从最初的疲劳机制4发展为冲物理和力学过程。击损伤机制3,在损伤过程中还伴随着腐蚀现象的对空化现象的认识和研究可追溯到19世纪发生。学术界与工程界提出了许多抑制空蚀损伤发有记载的是 Besant在1839年、 Reynolds在1873年就生与发展的方法,主要为提高硬度、加工硬化率和弹已经开始在实验室对空化现象进行研究。1902年在性以及加陶瓷涂层等,但在实验中收效甚微,至今尚英国 Cobra号驱逐舰螺旋桨上首次发现空蚀损伤,接无工程应用。哈尔滨电机厂在固定水头和功率的条着在水工建筑物和水力机械上也发现了同样的现件下,研究了防止气蚀发生的新型叶面型值,已经应用于三峡电站收稿日期:2010-11-1修回日期:2010-11272.大型高速轴承空蚀损伤本文作者:陈大融,教授,chendre@mail.tsinghua.edu.cn。高速透平机械轴承、内燃机轴承、轧钢机轴承和20010·6· Ching Basic Science3国基础科学·综述评述风力发电机轴承等都面临严重空蚀损伤的问题,其灭,形成微激波与微射流攻击壁面的过程有了基本表现为轴承表面呈点状脱落,使得磨损加速、噪声增的共识。由于微射流发生是由空泡溃灭造成的,问大、使用寿命下降。英国著名摩擦学专家 Dowson61题涉及流体力学、热力学、材料学、物理、化学以及摩等人1979年发表论文描述了大型高速轴承空蚀损擦学和制造科学等众多学科的知识,从单一学科的伤的严重性,并提出了主要研究内容。此后,相关学角度出发,难以发现系统的内在规律。因此,到目前者在这一领域进行了探索研究,发表了千余篇论文,为止仍然没有形成有效抑制微射流损伤发生的关键但至今尚未获得有效的解决方法技术。3.液压机械、流体泵的空化与空蚀损伤微射流损伤过程是一个复杂过程,抑制微射流液压系统的空蚀损伤主要发生在工程机械的大损伤发生的关键技术的形成将依赖于对损伤过程的型液压系统、船舶舵机、汽车刹车系统中。在液压系统系统认识,研究难度在于对一些物理过程仍然不清中,通过油液介质传递动力的基础是油液为非压缩性楚,例如:①微空泡压缩与溃灭发生在亚微秒/纳秒流体,旦空化产生会使得压缩率大幅度增加,产生控时间内,如何对瞬态物理过程进行精确测量和模拟;制失灵以及工作机构间歇运动等现象。同时还会使油②针对微射流攻击壁面的高速动力学过程,如何进温升高、油液加速氧化、润滑性能下降等问题,将严重行材料损伤过程的单因素实验;③如何描述空泡溃危害系统的工作可靠性。油液中微气泡的存在以及空灭瞬间能量聚集程度、释放过程及微尺度耗散机制化发生还会引起缸体壁面损伤,会造成系统振动和噪④如何理解多尺度条件下的液/固、气/固、气/液i增加,容积效率降低等一系列问题。气/汽等相界面行为、界面状态及转化以及界面传质4.螺旋桨与水工建筑空蚀过程等;⑤如何确定微射流损伤过程与电化学、高温螺旋桨空蚀损伤的典型实例是法国“戴高乐号”氧化、空位簇氧化膜腐蚀等过程同时并存、互相影响核动力航空母舰,该舰造价达800亿法郎,航速27的规律;⑥如何描述微射流损伤过程与材料表层物节,功率84000马力,1999年1月开始海上试验,发理特性变化,以及材料表层电子结构变化之间的关现螺旋桨空蚀噪声巨大,达到影响水兵睡眠的程度;系等。抑制微射流损伤发生在国内外均被认为属于2000年11月初发现4台螺旋浆均遭遇严重空蚀,其难以解决的科学技术问题,形成综合理论和行之有中3台已无法继续运行;2002年3月换上新螺旋浆效的关键技术具有相当的挑战性。重新下水,但不久又发生桨叶断裂事故。螺旋桨空1.微射流发生的力学过程蚀损伤现象普遍存在于各类舰艇,同时巨大的空蚀经过多年的研究,已经发现:①空蚀损伤过程必噪声也严重影响舰艇(特别是潜艇)航行的隐蔽性。须有微颗粒参与;②微射流与损伤发生过程主要是潜艇航速每増加1节,噪声増加2dB,为降低噪声对力学过程。因此,对微空泡与微颗粒在近壁面的运航行隐蔽性的影响,潜艇往往仅以3节左右的速度动规律以及如何控制微空泡微颗粒在近壁面的运航行(设计航速27节,临界航速19节),大大降低了动轨迹是首先需要研究的内容。但是,处于液体介威慑力。质中的微颗粒在趋近壁面时受到多种力的影响,需水工建筑的空蚀现象十分严重。1935年在巴拿要对产生这些力的原因以及相互之间的关系作深入马地峡恰格采斯河上的 Madden坝输水道进口发现的分析,才有可能获得对微颗粒运动轨迹实现控制严重空蚀损伤后,在美国飽尔德水利枢纽东岸泄洪的理论与方法。研究表明,影响液体介质中微颗粒隧洞、前苏联的布郝塔尔明大坝与布拉茨克水电站的力的产生,与空泡能量聚集/耗散、表面形貌对近溢流坝面也都发现了严重的空蚀现象。有报道称壁面流场的影响、材料物理特性与腐蚀对双电层等我国刘家峡水电站右岸泄洪隧洞、盐锅峡水电站溢众多因素的影响密切相关,由于涉及跨尺度与跨学流坝下流挑坎等都不同程度地发生了空蚀破坏。科的问题,其中部分影响因素目前还无法直接从计算与实验获得二、空蚀发生机理研究2.空泡溃灭与微射流发生过程中的能量聚集与耗散机制虽然对空蚀发生机理目前还没有给出一个令人2000年德国 Stuttgart大学 bruno教授用400ps信服的解释,但对空蚀损伤是由于微空泡坍缩、溃快门速度的高速条纹摄像机对单个坍缩气泡发射的20010·6· Ching Basic Science4国基础科学·综述评述光与激波的动力学进行了研究,捕获了水中微气泡腐蚀过程中的作用进一步明朗化坍缩的时间分辨图像,发现在坍缩和同时发生的光但是,目前的研究对一些关键问题仍然没有给发射后不久,激波的运动速度达到4000m/s,计算出出合理的解释。例如,如何描述微射流所诱发的特气泡附近的压强达到6Gpa。 Putterman和 Barber的殊物理化学环境条件以及由此引起的损伤行为;材研究表明,空泡坍缩速度超过声速,在微激波最小半料/溶液界面双电层的异构、活性自由基的特性和竞径处的加速度高达10"g8。研究表明,几乎每次争吸附行为对微射流流体传质过程等瞬态局部化学坍缩都伴有闪光,光子的产生表明在内爆气泡中必环境的影响及其腐蚀行为与机制;瞬态局部溶液化然出现极高的压力与温度,并以微射流和微激波的学环境与瞬态局部高压场叠加对材料微射流损伤的形式耗散交互作用和耦合作用机制等。需要针对空泡溃灭过对空泡坍缩过程的研究提供了微米级微空泡溃程中形成的特殊瞬态局部化学环境,在产生液相等灭后形成微激波与微射流,进而攻击固体壁面,形成离子体并由溶液分子或原子离解释放活性自由基研毫米/亚毫米级空蚀坑的证据。但是,对微空泡内能究基础上,深人研究空泡溃灭过程对材料表面的双量来自何处仍然不清楚,主要问题为:①空泡内部温电层结构、电子跃迁能力、表面费米能级改变带来的度、压力急剧上升的原因是什么?在高温、高压下形影响。成射流时液体以何种结构和约束可以使其在液体中4.材料表层物理特性对微射流损伤的影响成東并对壁面造成损伤?②如何判定微空泡被急剧对空化现象与空蚀过程研究的目的之一是要形压缩到最小半径时的能量聚集程度,以及如何构成成抑制空蚀损伤发生与发展的关键技术,这就会涉基本的数学物理模型?③空泡溃灭时内部物质是否及空蚀发生过程中合金材料的微观缺陷发展及电子已经处于等离子态,空泡内物质是否参与了射流的结构变化。目前此领域的研究甚少,对合金材料研形成?0.④如何分析空泡内高密度能量的传播过究的关注点也主要集中在材料力学性能上程导致微空泡凹陷的原因,以及如何确定微射流形材料表层微观缺陷与合金力学性能密切相成与能量输运及耗散之间的关系?⑤如何确定微射关,微观电子结构是构成合金物理性能的基础流发展过程中卷吸周围液体及向周围扩散的能量耗较长时间的空蚀实验证明,合金材料的正电子S参散过程,如何建立微射流在介质中的能量耗散规数值随空蚀实验时间增长,材料空位缺陷不断外移律等。表明试样体内的空位缺陷随着空蚀时间增长,表层3.材料微射流损伤与腐蚀共同作用的机制空位缺陷在深度方向上呈梯度增长,解释了空蚀损材料微射流损伤与腐蚀几乎同时发生。因此,伤随时间越演越烈的原因早期的研究将这一过程归纳为电化学损伤,即损伤通过电子能量损失谱分析发现,在空蚀发生的是由电化学腐蚀引起的2),认为其原因是空化过程过程中,合金的体电子密度mb逐渐减小;而非单空促进了电极-介质界面附近区域离子和分子的传输,位缺陷处的电子密度n急剧减小,由于在空蚀过程以及离子与金属表面的电子交换过程13。但是,正中单空位缺陷处几乎不产生空蚀损坏,因此体电子电子湮没实验表明,在微射流损伤发生过程中必密度的减少主要是由于非单空位缺陷电子密度的急定伴随着腐蚀作用,并相互影响,加剧空蚀损伤的发剧下降造成的,其原因在于空蚀过程中合金材料3d展,电化学腐蚀只是造成空蚀损伤的原因之电子数发生了变化空蚀与腐蚀之间的相互影响为综合考虑材料表层物理特性、双电层特性与电化学腐蚀过程的关联与空化和空蚀相关的研究领域性提供了新的途径,获得了合金与液体界面的双电层性质决定液体中离子的吸附过程与合金与液体界微空泡坍缩、溃灭过程是一个涉及力学、热力面的电化学腐蚀过程,以及双电层的结构及吸附学、物理、化学等众多学科的自然现象,虽然许多规性能取决于合金的化学组成与合金表面晶体结构的律目前还不为人知,但利用其产生的特殊效应可以结论。研究者对表面电子特性进行了深入的研形成有效的关键技术,并发展为新的研究领域。究,提出了表面电子态密度分布与双电层特性以及1.声化学界面腐蚀之间的关联性18,使界面效应在空蚀与声化学是指在声波作用下,加速化学反应或者20010·6· China basic Science5国基础科学·综述评述启动新的化学反应通道的新的交叉学科。声化学反子聚变,并在 Science发表了论文。 Teleyarkhan本人应的主动力来自声空化所产生的徵微空泡坍缩、溃灭未能重复这个实验,虽然他在2004年2和2006时形成的髙温、高压、微激波、微射流等极端物理条年2继续发表论文,解释实验的可靠性,但是这项实件。在声化学领域,一般认为微空泡溃灭提供的反验结果至今没有被学术界认可。多数科学家认为应温度大于5000K,提供的压力大于2.03×10Pa。日前微空泡内的能量聚集程度距满足量子隧穿,实在声化学领域,目前关心的核心问题是:声空化理现中子聚变大约还相差1-2个数量级论、声致发光和自由基的产生,这些问题原则上属于常温中子聚变硏究采用的是高温等离子体的热物理学和物理化学的研究范畴核聚变模式,普遍认为只要出现和维持一定温度以超声化学一般可分为有机合成、超声降解、超声上的高温等离子体状态,就可以满足量子隧穿所需催化3个分支。在有机合成领域主要进行空化条件条件,产生聚变并释放高产额的中子。在微空泡内下的均相、液/液多相、非金属的有机固/液反应、有部产生超高温的局部条件,有可能形成高温等离子金属参与的多相反应研究,其反应速度比常态下要体, Suslick与 Stringham的研究为这一推测提供了依高几个数量级。在超声降解领域主要利用超声空化据。 Suslick的研究明确了在溃灭瞬间,微空泡内部效应所带来的高温高压条件,使几乎任何污染物完物质已经形成了等离子态3。 Stringham明确提出了全氧化降解,具有不使污染物富集,不受有机物种类空化聚变的概念,认为界面物质在自我加速过程中和品种的限制,以及低功耗、高效率、没有二次污染拉动其内部的部分等离子体共同形成了等离子体射等优点。在超声催化领域,超声独特的能量导入效流。射流的组成中既包含离子,也包括电子。由应能够加快某些化学反应的速度,提高化学反应于射流中物质的高速同相运动,将导致在界面射流效率。形状的中心产生一个真空的核,其外围是高密度的2.超声医学等离子体。这样,在微空泡溃灭瞬间构成射流的初医学超声学涉及了从诊断到外科手术的极为广始几何形状时,实际上已经处于磁约東的高温等离泛的临床应用范围。其中治疗超声是以低频高能量子条件的形式作用于人体,通过微空泡坍缩与溃灭,使人体按照耗散结构理论,发生熵减过程的自组织现组织发生某种有利于疾病治疗或身体康复的变化象系统必须是开放的,即必须从系统外有能量输入,主要技术为高强度聚焦超声(HIFU)治疗。同时在系统内必须存在远离平衡态的非线性相互作高强度聚焦超声治疗已经在许多领域成功应用,并产生涨落触发。对于一个动态体系触发其涨用。例如,已成功应用于前列腺癌以及骨、胰腺、盆落,将推动系统发生质的变化而跃到新的稳定有序腔、肝、乳腺、软组织、肾等肿瘤的治疗,疗效明显;在的耗散结构状态。因此,如果能够进一步集中导致眼科主要用于治疗青光眼和白内障;在妇科用于治空泡坍缩的能量,通过双电层电荷密集加速微空泡疗子宫肌瘤等。趋近壁面运动,使空泡所受压力与表面张力之间呈作为物理治疗手段之一,高强度聚焦超声治疗非线性关系,则有希望达到提高微空泡内温度与压技术正得到工程界和医学界的关注,如果在物理机强,并稳定获得具有一定产额中子的目的。理以及与生物效应的耦合研究方面能获得突破性进展,完善治疗设备关键技术,可使我国在HIFU设备四、关于空化与空蚀研究的建议制造、临床应用方面步入世界前列。3.常温中子聚变空化与空蚀描述的是空泡产生、坍缩、溃灭,直解决能源与排放问题的重要途径之一是发展可至形成微激波、微射流的瞬态过程,目前的硏究还无控核聚变,其中一个分支是常温中子聚变。2002年法直接观察这一变化过程,也无法测定空泡溃灭时美国橡树岭国家实验室的物理学家 Teleyarkhan201产生的高温、高压,以及空泡内部的物质变化,只能从氘代丙酮为介质,由脉冲中子发生器产生微空泡,通溃灭后对微区环境造成的影响来推断空泡溃灭时的物过超声波换能器注人能量,当微空泡膨胀至1mm后理量变化,这给研究空化与空蚀现象带来了很大的困坍缩。 Teleyarkhan认为,他们检测到了2.45MeV的难,需要发展高速、微观、瞬时、动态测量技术中子,并发现溶液中产生了额外的氚,认定发生了中空化与空蚀过程涉及力学、热力学、物理、化学20010·6· China basic Science6国基础科学·综述评述和材料科学等众多学科,有很强的关联性与耦合性tration on the electrical double laver characteristics at rough cadmi-从单一视角出发无法全面了解演变规律,难以获得um electrodes. Electrochimica Acta, 2000, 46(2/3):185-191解决问题的关键技术。正如仅从材料及表面力学性[17] Wang X C, Jia Y, Yao QK. The calculation of the surface energyof high-index surfaces in metals at zero temperature. Surface Sci-能出发,无法获得抑制空蚀损伤的关键技术一样。ence,2004,551(3):179—1为此,需要组织多学科研究队伍,从基础研究层面深[18]李昱材,张国英.金属电极电位与费米能级的对应关系.沈阳人研究相关规律之间的耦合性,就空泡产生、坍缩师范大学学报,2007,25(1):25-28溃灭,形成微激波、微射流的过程,以及与此过程相[19 Hautojravi P, Positrons in solids, Berlin: Springer 1979:378--340关参数之间的关系给出明确的解释。20] Taleyarkhan R P, West C D, Cho J S, et al. Evidence for nuclearons during acoustic cavitation. Science, 2002, 295( 5561常温中子聚变等研究与空泡坍缩与溃灭过程密切相关,也与多种物质结构相关的界面科学、非线性[21] Taleyarkhan R P, Cho JS, West C D, et al. Additional evidence of科学问题密切相关,描绘了一个极其诱人的研究前sions during acoustic cavitation. Physical Review E景,相关基础理论与关键技术的获得,将为科学技术2004,69(3):03610922]Taleyarkhan R P. West C D, Lahey RT, et al. Nuclear emissions与国民经济的发展以及国家安全做出重大贡献。during self-nucleated acoustic cavitation. Physical Review Letter参考文献D J. Suslick K S. 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Physics Wstone,people have been focusing on all kinds of dama-1998,5:38-42ges induced by cavitation erosion. Because the mecha[8 Barber B P, Hiller R A, Lofstedt R, et al. Defining the Unknownsnism on cavitation, bubble collapse, microwave and miof Sonoluminescence Physics Reports, 1997,281: 65crojet induced by bubble collapse is not completely un-[9] Gompf B, Pecha R. Mie scattering from a sonoluminescing bubblewith high spatial and temporal resolution. Physical Review Ederstood, the key technique effectively prohibiting cavi-2000,61(5):5253-5256tation erosion and its noise has not been arrived at10] Flannigan D J, Suslick K S. Plasma formation and temperatureIgh the relative study has been done for about a cen-measurement during single-bubble cavitation. Nature, 20ury. At the same time, extreme physical, chemical7029):52-55mechanical condition induced by bubble collapse, spe[Il]Stringham R. 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