水利机械内空化、空泡和空腔的深入分析

　　引言

　　水力机械的空化、空蚀和稳定运行问题历来是水力机械行业共同关注的基本问题。经过近百年来的研究探索，特别是不锈钢等抗空蚀材料的大量采用，空蚀对水力机械的危害程度已有所减轻，水力因素导致的水力机械运行不稳定也得到一定扼制。但是，当空化发生后，水中掺杂了空化气泡（以下简称“空泡”）或空化空腔（以下简称“空腔”），水流变成了气液两相流，使原来的单相流特性产生了很大的变化。过去有许多概念和认识是建立在单相流基础上的，关于空化和压力脉动、压力脉动和空蚀等之间的关系及空泡和空腔在其中的作用等不是很清楚，甚至有部分错误的认识和理解，给深入研究和解决水力稳定性等问题带来一定影响。本文拟从对空化、空泡和空腔的深入分析入手，解析它们对两相流条件下稳定性等带来的危害，以进一步理清它们之间的相互关系。

　　1 空化、空泡和空腔

　　一般的气泡内部压力大多高于或接近于大气压，通常在水力机械模型试验时看到的游离气泡和部分附着在流道表面的气泡多属于该类气泡。空泡则是指水体空化后产生的气泡，且空泡内的压力通常都低于空化压力。空泡属于气泡，但不同于一般气泡，二者最大、最本质的区别在于内部压力是否低于空化压力。

　　当然，空泡内的主要成分是水蒸汽，氮气、氧气等空气中主要成份较少；而水中的游离气泡则不同，其主要成分是空气。

　　高压气泡在水中的存在方式由其压力属性决定，只能存在于其适合的压力区。当其附着于叶片等流道表面时，可能随压力变化而改变尺寸大小，反而不易被裹夹进水流；只有当压力降低到负压甚至汽化压力之后，这些气泡才更容易被“吸”走，这也是空化试验前先抽真空并保持一段时间的原因之一。那些游离于水中的高压气泡也不例外，其只能存在于高压区，即使偶尔被水流裹夹进低压区，一旦失去裹夹力的限制，其自然会“漂移”至高压区，这也是通常称其为游离气泡的原因。许多水电站试图用补气的方式消除压力脉动没有成功，大多是因为补气位置选择不当，补气点压力高，补入的高压空气和游离气泡一样向高压区漂移，大部分空气没有进入低压空腔，因此起不到降低压力脉动作用。即使是补入尾水管涡带中心的空气，也难以避免其向锥管外侧扩散（如图 1 所示）。当然，也不能完全排除有部分游离气泡留在了空化区，但其压力势必相应降低到该区域“生存”压力，以适应在该压力区的存在需求。

　　空化形成的低压空泡和常规高压气泡的另一重要区别是低压空泡的可溃灭特性。当空泡受到高压冲击时，其可以快速溃灭。即使空泡不能完全的“消于无型”，但其或被击穿溃灭，或被压缩还原为液态水和微小的“气核”，都可能因自身的溃灭而使靠近的固体边壁产生空蚀。而高压气泡则不同，其不可能溃灭，只能被压缩导致压力进一步升高，即使被周围空泡溃灭的冲击射流击碎为更小气泡，高压空气也会对冲击射流起到缓冲作用，减轻空蚀。

　　空腔是空泡的聚集群，区别于空泡的“单体”，有“团体”属性。根据空腔危害水力机械稳定性理论，空腔的体积聚集到一定程度后，具备了放大压力脉动的能力，其主要危害对象已从材料（指对材料的空蚀）转为对稳定性的影响，产生的主要危害是加剧压力脉动和振动等不稳定现象及其引起的相应破坏。当然，对于聚集在流道边壁附近的空泡聚集群－空腔，如果其比较薄，和边壁间无水体间隔，也很容易发生空蚀。

　　但若空腔体比较厚，尤其是内部压力低，随压力变化空腔不至于整体溃灭，其对边壁的空蚀反而可能因未溃灭空腔的缓冲作用而降低。

　　空腔由空泡群组成，空泡和空泡之间仍然由空泡壁隔开，并没有形成为一无割断的连通区域。而空泡壁的存在使空腔在水中具有可见的特性，给研究空腔的存在形态、产生影响及危害机理提供了良好观测条件。此外，空腔内空泡个体的存在使空泡的快速“溃灭”和“生成”非常容易，当水体压力脉动传递给空腔时，引起的空腔体积变化会比文献[2]所分析的还要大，放大压力脉动的作用也更大。其原因是，当压力降低时，空腔附近的水体可能因压力低于空化压力而空化形成新空泡，使空腔体积更大；当压力增高时，空腔边缘的空泡可能因压力高于空化压力而溃灭变回液态，使空腔体积比按比例收缩得更小，从而使空腔体积产生更大的“膨胀－收缩”变形。也就是说，伴随着压力脉动的空腔“膨胀－收缩”变形在空腔边界附近实际还存在空腔的“产生－溃灭”变化，二者的叠加使“膨胀－收缩”变形幅度进一步加大。

　　2 水力机械内的气液两相流

　　2.1 气液两相流和单相流的区别

　　所谓气液两相流，是指有气泡、气泡群或气体空腔加入的液态流体。就水力机械的气液两相流而言，其气泡或气泡群主要为空化气泡－“空泡”，气体空腔也多指空化空腔，“气相”的空泡或空腔都具有低压特性。

　　就常规气液两相流而言，其和单相流的本质区别在于“气相”加入带来的可压缩性。而水力机械内多见的两相流中的“气相”属空化产生的水蒸汽，该两相流和单纯水体的单相流的最主要区别不仅是空泡或空腔具有可压缩性，还在于其低压特性。
　　
　　2.2 水力机械气液两相流的本质特性
　　
　　水力机械流道内的气液两相流中的空泡和空腔，压力通常都低于水的汽化压力，这也是构成其独特性能的主要原因。正是由于空泡的低压及可压缩性，导致空泡在高压下可溃灭，产生对流道边壁材料的空蚀。

　　同样，由于空腔的低压及可压缩性，使空腔具备了可溃灭特性，在空腔较大的条件下会由于空腔的突然溃灭而引起工况波动或水体震荡，从而产生强烈振动和不稳定；也会使空腔具有高收缩比，附加在空腔上的较小压力脉动即可能引起空腔体积的大幅度变化，而这一空腔的“收缩－膨胀”则可能进一步扰乱水流，放大压力脉动。

　　3 空腔和压力脉动及稳定性关系

　　3.1 空腔的体积及连续性

　　散乱的小空腔接近于空泡团，其对稳定性的破坏力远不如大空腔，即使这些小空腔的体积之和大于大空腔，它们对压力脉动的放大作用也远小于“一体化”（紧密联系在一起的连续体）的大空腔。究其原因，其关键因素是分散的小空泡群“膨胀－收缩”的频率各不相同，作用力方向不一致，无法形成合力。例如，在模型试验时，有时确实会观测到某些水轮机转轮的尾水管涡带比较大，但其压力脉动幅值并不大，远不像涡带外形尺寸所表现的那么严重。仔细观察会发现，这些涡带比较“散碎”，不够“实”，大涡带内有散乱的小空腔（如图 2 所示），中间夹杂着水体，其散乱、不连续的特点造成其无法形成合力，放大压力脉动的作用大大降低。
　　
　　3.2 空腔破坏力探讨
　　
　　空化系数 σ（或净正吸出高度 NPSH ）和涡带压力脉动幅值 ?H 之间的关系其实表现为涡带空腔尺寸（包括其偏心矩）对压力脉动的影响。仔细分析涡带压力脉动和净正吸出高度之间的关系曲线（见图 3）可以发现，压力脉动幅值在一定范围内随 NPSH（NPSH=σ·H，H 为水头）的降低而增加，但增加到其最高值后，压力脉动幅值会逐渐降低。

　　根据观察和分析，原因可能来自于两个方面。其一，压力脉动测量点的压力最低时已低于汽化压力，而绝对汽化压力已接近于零压力，无法继续降低，测量的压力脉动曲线出现所谓的“削波”现象，其下部波形“谷底”区域被削平，接近于“平底”，幅值自然就降低了。另外一个可能的原因是涡带发展到一定程度后，几乎充满整个尾水管直锥段，涡带偏心矩变小，空腔变散，压力脉动幅值降低。

　　但是，绝不能据此确认此时的压力脉动幅值降低会带来稳定性变好。所谓的“削波”现象会导致空腔直接作用于尾水管边壁，作用面积增加，作用力非常大，噪音也非常大，振动不但不会随压力脉动幅值的降低而降低，反而有可能增加，破坏力会更大。因为低压作用面积增大后更容易加大尾水管、转轮、顶盖等过流部件的局部弹性变形，从而增强机组或厂房振动。

　　4 压力脉动和空蚀的关系

　　以上主要论述了空化及其形成的空腔对压力脉动的影响，更多地关注于空化空腔对水力机械运行稳定性的危害。实际上，压力脉动对空化和空蚀也是有影响的，不仅强烈的高频振动或压力脉动可能会导致空化发生，而且剧烈的压力脉动也可能会导致空蚀的发生或增强空蚀强度，成为空蚀的帮凶。

　　假定水力机械运行时没有压力脉动，同一个空间位置在不同时刻的压力是恒定的，空化产生的气泡只有流动到压力大于汽化压力的区域才可能因气泡破裂而产生对流道边壁材料的空蚀。对于一般的水轮机翼型空化而言，低压区多位于转轮叶片出水边背面，而且该低压区最低压力通常出现在出水边附近。因此，在压力稳定的条件下，空泡不会在叶片表面溃灭，只可能在离开叶片（或贴近出水边的一条细带）后因压力上升到汽化压力以上而破裂，产生所谓的“超空化”或出水边细带状空蚀，不会对叶片造成较大面积的空蚀。但如果有较强压力脉动存在，足以使压力由低于汽化压力的空泡产生状态转变为高于汽化压力的空泡溃灭状态，就可能在空化区的边界部分（压力稍高部分）或整个空化区产生空蚀。

　　另外一种状况是，如果没有压力脉动发生，低压区最低压力高于空化压力，不会产生空化，当然也无空蚀可言。但如有压力脉动发生，其低压“谷值”有可能把低压区压力降低到汽化压力以下产生空化，而高压“峰值”又可能把空泡群压力提高到汽化压力以上使空泡溃灭产生空蚀。

　　强压力脉动还有可能增加空蚀破坏的强度，其高压“波峰”对空泡群的附加力和冲击速度可能加大对流道边壁空泡的冲击力，增强空蚀。因此，当压力脉动幅值较大时，有必要增大空化安全系数，以防止因强压力脉动而导致附加的空蚀破坏。【图略】

　　5 结论

　　① 空泡、空腔内压力低于汽化压力，而游离气泡内的压力通常在大气压附近。水轮机中常规的尾水管涡带应由空泡群或空腔构成，而非游离气泡。

　　② 水力机械气液两相流中的空腔由空泡群组成。空泡以个体存在，其空泡壁使空腔具有“可见性”，空泡个体的快速溃灭及生成特性使空腔对放大压力脉动的可能性变得更大。

　　③ 空腔的连续性对其危害性影响很大，散乱的小空泡群即使合计体积很大，也会因难以形成合力而危害性较小。

　　④ 当涡带空腔大部分和尾水管边壁接触时，涡带压力脉动波形会产生“削波”现象，尽管表面上造成了测试的压力脉动幅值减小，但其给稳定性带来的危害会更大。

　　⑤ 压力脉动会增强空化和空蚀，甚至有可能使超空化转变为对流道边壁的实际空蚀，当压力脉动较强时应增大空化安全系数。