如何画出水中产生空泡的临界线？

首先说说什么是空化。按照百度的解释| “液体内局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸汽或气体的空泡的形成、发展和溃灭的过程”。看完这段话，你可以放弃理解空化的幻想。

让我用人话重新说一遍| 某液体比如水，当哪个位置的压强低于饱和蒸汽压，那个位置的水会变为水汽，水汽聚集后鼓起泡泡，于是我们看到了“空泡”，这个过程我们叫“空化”。

你马上想到了，空化过程就是大家每天会看到的现象——烧开水。

水烧到一百度，水的饱和蒸汽压达到一个大气压，这个时候水快速汽化为水汽。这个现象也叫“沸腾”。

水在20度的时候，水的饱和蒸汽压只有1/43个大气压，比一个大气压小太多。所以，放在碗里的凉水被一个大气压牢牢地压在液体里，不会发生空化。

你想到，让水在20度空化，可以这么做：

1、把水外面抽真空，压强降低到1/43个大气压。

2、把水送到1.5万米的高空，那里气压只有1/43个大气压。 

专业的工程师则不用抽真空，就可以让水在20度、在一个大气压下空化。就是让水快速动起来。

水中的物体快速运动，带动四周的水运动；物体跑得越快，导致四周水的空化越强烈，空泡也会越大。

超空泡：工程师利用这个特性，设计出超空泡。当物体在水中的速度达到每小时一千公里这种量级。产生的空泡环绕在物体四周，把头部之外的表面都包裹住了。

物体与水之间隔着一个大空泡，物体只感受到气的摩擦力，这可比水的摩擦力小多了。总的阻力可以减小到没有超空泡的1/5以下。 

如何产生包裹住水中物体的超空泡，大幅减小阻力，让物体在水中航行得和空中一样快，这是工程师的一个创举。

抑制空泡：更多的时候，工程师要抑制空泡产生，避免空泡带来的危害。空化产生的空泡不断地生成和溃灭，噼噼啪啪地不断侵蚀表面，把水中的物体咬得像被狗啃的，专业上叫“空蚀”。

另一方面，空泡噼噼啪啪的噪声，还会被对方的声呐探测到，提前暴露自己的位置，很让人讨厌。

跑的越快空泡越大，这个特点对设计水中快速运动的物体很不利。如何在水中既跑得快又没有空泡，也是工程师要解决的难题。

高速旋转的螺旋桨在尖部出现空泡

螺旋桨尖部长期被空泡空蚀后的结果

当一位工程师说他在研究空化，你可以问问，他是在努力做出大大的超空泡，还是努力消除空泡？

 

如何知道什么时候会产生空泡？

为什么有的物体在水中会产生大大的空泡，而有的不容易产生空泡？ 

这么专业的问题，我们只需用一个简单的Cp（压力系数）解释。

认真看几眼压力系数的定义，其实就是把环境压强和速度的影响都剔除了。

对于水这种不可压缩流（因为水中的声速太快了1500m/s，水中几乎没有可以接近声速航行的物体，所以我们可以假定水是不可压缩流），只要在某个状态下，计算出Cp，就可以用Cp换算在其他速度和水深下的当地压强。

举例说明，如何计算水中物体的表面某个点，在多快速度和多大水深会发生空化：

1、用普通的CFD软件仿真水的流动状态。

环境压强为一个大气压（101325Pa，相当于水深为0）

航行速度为10m/s。

CFD仿真结果显示，某个点的压强为50000Pa。

求压力系数

=-1.0

2、如果在水深10.3米，航行速度20m/s。

求这个点的压强

这个点的压强这么低，大约在20度的温度，水就会在此处空化。

3、设定空化的压强为2338Pa（20度水温）。

求发生空化的临界速度和深度

环境压强

水深

=(环境压强 — 一个大气压)/(密度X重力加速度)

曲线左侧，压强大于饱和蒸汽压，无空泡。

曲线右侧，压强小于饱和蒸汽压，有空泡。 

当Cp从-1.0增大到-0.5，无空泡的区域明显增大了。

所以，工程师通过改变形状，改变Cp，获得产生空泡或者抑制空泡的效果。

Cp特别低的外形是这样的，Cp可以小到负无穷大。

 

 Cp略微高一点的是这样的：

（设计优秀的流线型外形，Cp的最低点可以提高到-0.3的水平）这个外形是半球头，还是很容易产生空泡。

 

如果要设计大大的超空泡，工程师就设计能让Cp特别小的形状。一般是有棱有角的形状。

如何要抑制空泡发生，工程师就设计Cp接近0的形状，一般是流线型。

 

用最普通的方法计算出水中物体壁面的Cp分布，用本文的办法就可以预计物体的某个位置，在什么速度、水深会产生空泡，画出临界线。

至于产生空泡后，空泡有多大，长什么样子，对流动有多大影响？那些就是空化模型的故事，本文不再讲述。

本篇文章来源于微信公众号: 陆姐说