空化核

空化核,设想什么是空化核,空化核与空化起始,液体中气泡受力,空化核的研究,气核的惯性生长,气核的质量输运生长,气核沿其运动轨迹的生长,气核尺度分布谱,以液体抗拉强度作为空化的介质参量,与纯净液体不同，真实液体中必定存在某些薄弱环节，正是这些薄弱环节使得真实液体不能抵抗任何张力，当液体的压力降低到某一定值时，相变首先从这些薄弱环节发生，我们称这些薄弱环节为“空化核”。 参照热力学中的凝结核，尘埃固粒，带电粒子，极性分子，表面活性物质都有可能；但是空化核中必须含有永久气体，也即在常温下不能液化而凝结的气体。联想到液体中的游离气体也可被视为空化核。,设想什么是空化核,纯净的液体能够承受高达数百个大气压的张力, 没有空化核的液体是不能够空化的。空化核只有在低压区中才能获得生长发育的机会。只有在足够低的压力作用下、并且作用时间也足够长, 具有空化核的液体才有可能发生空化。 所以, 空化核的存在是液体发生空化的先决条件和内因, 压力场的作用是液体空化的外部原因。物体几何形状的改变、来流条件的改变、物面边界层的改变、物面糙率的改变等, 都有效地改变了空化核周围的局部压力场, 从而使空化核的生长条件发生变化。空化核、低压, 以及低压作用时间是空化起始的三个要素, 三者缺一不可。,空化核与空化起始,一个界面稳定的泡内外压力平衡：+=1+ 2 ：泡内气体压强：蒸汽的分压强R：为气泡半径：为液体表面张力系数,液体中气泡受力,假设泡内永久气体服从理想气体定律= 3 带入上式 = 3 2 (1) = 4 3 带“*”是指对应于气泡自发生长的临界量。 若泡内只含有蒸汽而没有永久气体，A=0，则 =0。也即如果存在这样的气泡，则必须使得外界压力1，显然这个假设对于空化的产生不适用。,事实上20世纪50年代以来，整个泡动力学和空话初生的计算都是以气核的生长、失稳为基点的。1981年第16届ITTC空化委员会总结多年的经验指出：空化核有“惰性核”和“活跃核”之分，前者对空化作用几乎没有什么贡献，如铁锈粉、油漆片等悬浮固粒；后者对空化起重要的作用，如游离气泡。所以气核才是空化试验测量的主要对象。,空化核研究的动态与成果, 包括核的模型、核的测量、核的相似、核的播种、核的作用等.所有现有的核模型都没有跳出寻找游离气体在液体中稳定存在的机构的框子, 无法克服“ 气核悖理”（只看到气核在自然界中因运动而消失的一面，看不到气核因运动而产生的一面这可能是“气核悖论”产生的原因）。1）核的模型 实验测得空化水洞中的核谱中, 极大多数是未溶无机盐、铁锈粉和油漆皮等固体微粒上, 这些微粒对空化儿乎不起什么作用, 除非它们带有寄生气体或粘附在试验模型表面上成为不可忽略的粗糙元. 现已普遍接受第16 届国际水池会议推荐的将空化核分为惰性核和有效核的建议 ,气核是最主要的有效核, 而不含寄生气体的固粒则是惰性核的一种。但是, 长期以来存在着所谓“ 气核悖理”。,空化核的研究,解释这种悖理的方法, 是设想一典机构, 使液体中的气体能够稳定存在于这些机构中。这就是所谓“ 核模型”。其中最著名的有, 在固壁缝隙中含有寄生气体的Harvay模型, 被有机皮包裹着的气泡的Fox 模型. 近几年中, 又提出了下列几种新的核模型:热力学模型cha将稀释溶液的热力学理论应用于气一水溶液, 得出结论, 在忽略垂力作用情况,液体中尺度为0.1微米到10 微米的气泡都可能同周围液体处于稳定平衡状态. 这个结论很鼓舞人, 但Plesset等指出, 赫姆霍茨自由能最小时系统到达稳定平衡这一热力学原理, 只有在系统体积不变时才成立, 因而这一点尚在争辩之中.液核模型Mori等认为水中存在不济于水的液滴, 这种液滴是高度含有溶解气体的; 在液滴内部可以存在气体和蒸汽的气泡, 并按热力学平衡条件形成稳定的平衡半径，对此模型作了进一步的理论分析,可变渗透性膜模型Yout认为液体中的表面活性分子组成弹性的有机膜, 此有机膜对气体的渗透是变化的。一方面能阻止气体溶解, 保持气泡的足小的尺度, 并有足够的强度使气泡不被压碎。,A: 固壁缝隙B：有机膜C：弹性介质膜D：电离层E：可变渗透性膜F：液滴G：热力学,2）核的测量 气核才是对产生空化真正起作用的有效核，如果不加区分的把各种测核方法所记录的信息（如全激光散射法所接收到的散射光脉冲）都统统当作空化核的信息，那就可能使空化核的测量与研究误入歧途。 激光全息测核法是一种直观的测最方法, 它能区分气泡和固粒, 但是, 它的数据判读十分费时, 因而大大限制它的发展和应用. 近儿年中除采用计算机系统来作再现图象的判读和进行实时测量的尝试外, 没有什么新进展 声学法只对气泡有反应，并能实时测量，是很有前途的测量方法，但是水层中的气核浓度与高频声谱之间的矛盾是主要的困难。,3）核的相似 Lecoffre等根据他们对水轮机模型实验的经验，总结出一个关于核 浓度的经验相似律：若模型的几何缩尺比为 则模型试验水样中的核浓度是原型水样中的三次方倍4）核的播种过饱和水注入电解法局部激励播核5）核的作用 关于气核对空化起始影响的实验研究还只停留在定性的范围.对不同的流态, 产生核对空化起始的作用是十分不同的: 对具有自然转换边界层流动特征的影响显著, 而对具有层流分离泡流动特征的影响甚微. 国际水池全议空化委员会组织的比较试验的结果也证实的这一点。,确定了技术路线是: 不再去推敲空化核模型, 也不去追求新的繁复精细的空化核测量技术，在承认气核是最主要的, 基本的空化核的基础上, 首先创造实验手段, 测得纯气核谱, 进而寻找气核谱的规律。从分析研究核谱函数的性质出发, 预测核群参量与各主要水动力学参量的依赖关系, 并寻求模型介质与原型介质中核群参量之间的相似关系。然后寻找一种方法, 将核群参量与压力场参量同时纳入空化起始的预报。当然, 在这之前必须先建立比较完善的空化起始判别准则。最后,根据压力场的不同性质以及气核在不同压力场中的生长特征, 分类估价空化核对空化起始的作用。整个研究工作分三个阶段:第一阶段: 建立在可控条件下研究空化核的专用设备, 掌握并完善空化核的全息测量技术。第二阶段: 研究空化核的性质, 包括气核的尺度分布规律和实验室模拟气核群的相似规律等。第三阶段: 研究空化核对空化起始的作用, 从物面空化和漩涡空化两个方面来研究,气核的惯性生长,Rayleigh-Plesset(R-T)方程,气核的生长、溃灭与回弹,气核的质量输运生长,穿过泡壁的质量输运方程分子扩散解和对流扩散解,气核沿其运动轨迹的生长,Johnson-Hsieh(J-H)方程筛核效应,气核的尺寸越大，其运动轨迹偏离流线越远，以至于被“推”出物体扰动的低压区外，得不到生长发育的机会而不能空化。小尺度的气核在其沿自身轨迹运动中容易达到临界尺度 而失稳，但尺度过小的气核在低压区的生长时间不够而“滚”过物面，也因生长不到临界半径而不能空化。所以并不是所有尺度的气核都对物面空化有贡献，它有上限 和下限 ，只有在这尺度范围内的气核才能生长成空化泡，这就是所谓的“筛选效应”。,Gates (2)各组数据之间彼此相差2 3 个数量级应该指出, 这是游离气泡与悬浮固柱混杂在一起的尺度分布图。如果认为只有气核才是真正的空化核即“ 活跃核”的话, 这张图就说明不了问题。 Gates本人在后来的一次专门试验中已发觉内: 他在加州理工学院14 英寸高速水洞中所测得的所谓空化核信号, 大多数是铁锈粉、油漆皮、棉絮头之类的东西, 而微气泡只占很少的比例。,气核尺度分布谱,潘森森也曾对中国船舶科学研究中心直径350mm 水洞的过滤水样和未过滤水样进行核谱比较测量, 结果表明:水样经过滤后并不改变总空气含量, 但是过滤水样中的核浓度( 主要是气核) 大约只占未过滤水样中“ 核浓度”(主要是固体微粒)的百分之几( 见图3 )。空化核的有用信号确实是淹没在高出二个数量级的无用信号之中的。由此可见, 创造实验条件, 获得纯气核谱, 这是首先要解决的命题。 一座可以严格控制介质条件且易于调节流动参量的小型专用水洞“空化机理管道”在中国船舶科学研究中心建成了图4 是该设备的系统示意图。先后解决了同轴全息测核法的两个技术难点：（1）如何分类识别气泡再现图象与固粒再现图象；（2）以及如何正确计数；进行大量的试验, 测量纯气核谱。,综上给出气核数目密度函数的形式为,关于气核谱对空化的作用已有很多的研究成果，但是由于气核谱的测量不容易，在实验室中模拟和控制气核谱不容易，而且气核谱这个重要的介质参数无法与空化介质参数直接联系在一起，因此长期以来对空化介质条件的研究陷入了进退两难的局面。 其实能够反应空化介质条件的还有另一个介质参量，这就是液体的抗拉强度 。纯净的液体比含有气核的液体所承受的张力大得多，气核尺度越大二者差距越大，所以空化介质的抗拉强度很大程度上反映了空话介质中气核谱对空化的影响这一重要特征。 含有压力量纲，有希望将其纳入到空化数的表达式中。,以液体抗拉强度作为空化的介质参量,定义发生空化的临界压力 即 = 定义新的空化相似参数为 = () 1 2 2 = + = 1 2 2 代表介质条件对空化相似参数的修正， 为通常采用的空化数。若 相当大，如实验