空穴现象

空洞现象是一种现象，其中液体的静压降低到低于液体的蒸气压，导致液体中形成充满蒸气的小空穴。 当承受更高的压力时，这些称为气泡或空隙的空腔会坍塌并产生可能损坏机器的冲击波。 这些冲击波在非常靠近内爆气泡时很强，但在远离内爆气泡时会迅速减弱。

空穴现象是某些工程环境中磨损的重要原因。 靠近金属表面内爆的塌陷空隙会通过反复内爆产生循环应力。 这会导致金属表面疲劳，从而导致一种也称为气蚀的磨损。 这种磨损最常见的例子是泵叶轮和液体方向突然改变的弯曲处。 空穴现象通常分为两类行为：惯性（或瞬态）空化和非惯性空化。

液体中的空隙或气泡迅速破裂并产生冲击波的过程称为惯性空化。 惯性空化在自然界中发生在螳螂虾和手枪虾的撞击中，以及植物的维管组织中。 在人造物体中，它可以出现在控制阀、泵、螺旋桨和叶轮中。

非惯性空化是流体中的气泡由于某种形式的能量输入（例如声场）而被迫在大小或形状上振荡的过程。 这种空化现象常用于超声波清洗槽中，也可以在泵、螺旋桨等中观察到。

由于空隙坍塌形成的冲击波足够强，足以对零件造成严重损坏，因此气蚀在机械中通常是一种不良现象（尽管如果有意使用是可取的，例如，对受污染的手术器械进行消毒，分解水净化中的污染物 系统，为白内障手术或肾结石碎石术乳化组织，或均质液体）。 在涡轮机或螺旋桨等机器的设计中，它经常被特别阻止，消除气蚀是流体动力学研究的一个主要领域。 然而，它有时是有用的，并且当气泡从机器上破裂时不会造成损坏，例如在超空泡中。

考虑到液体内球形空隙的坍塌，惯性空化现象在 19 世纪后期首次被观察到。 当一定体积的液体受到足够低的压力时，它可能会破裂并形成空腔。 这种现象被称为空化起始，可能发生在快速旋转的螺旋桨叶片后面或在液体中以足够的振幅和加速度振动的任何表面上。 快速流动的河流会在岩石表面造成气穴现象，尤其是在有落差的情况下，例如在瀑布上。

产生空化空隙的其他方法涉及能量的局部沉积，例如强聚焦激光脉冲（光学空化）或通过火花放电。 蒸气气体从周围介质中蒸发进入型腔； 因此，空腔根本不是真空，而是低压蒸汽（气体）气泡。 一旦导致气泡形成的条件不再存在，例如当气泡向下游移动时，周围的液体由于其较高的压力而开始内爆，在向内移动时形成惯性。 当气泡最终破裂时，周围液体的向内惯性导致内部蒸汽的压力和温度急剧增加。 气泡最终坍缩到其原始大小的一小部分，此时内部的气体通过一种相当剧烈的机制消散到周围的液体中，该机制以声冲击波和可见光的形式释放大量能量。 在完全坍塌时，气泡内的蒸汽温度可能达到几千开尔文，压力可能达到几百个大气压。

惯性空化也可能在存在声场的情况下发生。 通常存在于液体中的微小气泡将由于施加的声场而被迫振荡。

如果声强足够高，气泡会先变大，然后迅速破裂。 因此，即使液体中的稀薄度不足以产生类瑞利空隙，惯性空化也会发生。 高功率超声波通常利用微观真空气泡的惯性空化作用来处理表面、液体和浆液。

空化开始的物理过程类似于沸腾。 两者之间的主要区别在于蒸汽形成之前的热力学路径。 当液体的局部温度达到饱和温度时发生沸腾，并进一步提供热量使液体。