歐拉早在1753年就預言了空化現象：當水管某處壓強降至負值時，該處會形成真空，即水與管壁分離。直到19世紀末，人們在螺旋槳葉上發現空化(Cavitation)[1]現象，以及在水輪機的轉輪葉片也發現了類似現象之后，空化現象才開始引起人們的注意。長期的空化作用會使過流部件表面產生破壞，這就是所謂的空蝕。對于夾帶泥沙的水流，還會使過流部件的表面產生磨損。在空化空蝕和泥沙磨損(即磨蝕)的共同作用下，過流部件表面損壞的很快。這其實是水流在運動與能量轉換過程中產生的一種特殊現象，就目前的理論研究和實際生產運行水平而言，這種現象無法避免，只能將其破壞程度降低。

　　中國的水能資源蘊藏量極其豐富，但地理分布極不均衡，且中國大多河流屬于多泥沙河流，導致中國的水電站和泵站尤其是在黃河上的水電站、引黃泵站的轉輪磨蝕狀況比較嚴重。20世紀60年代，中國曾對水輪機的磨蝕狀況開展過一次普查，發現磨蝕屬于三級或重于三級的水輪機達到調查總數的90%以上，水輪機的磨蝕往往成為決定機組大修周期的決定性因素。隨著水電開發的迅速發展和一系列大中型水電站、跨流域重大水利工程中泵站的開發建設，其運行經驗表明，含沙河流的泵站和電站常遭受到泥沙磨損、水力空化空蝕及兩者的聯合作用，其破壞十分嚴重，這也說明了中國水電站與泵站存在磨蝕的水輪機或水泵機組眾多。因此，水力機械的磨蝕問題常常成為保證機組安全可靠運行的首要因素。

　　1、 空化、空蝕和泥沙磨損的作用機理及其分類

　　任一液體在恒定壓力下，當液體的溫度高于其沸點時，液體開始汽化形成氣泡蒸發，稱之為沸騰;而空化則是當溫度一定時，液體壓力降低到某一臨界壓力值時，液體發生氣化或溶解于液體中的空氣發育成空穴的現象。空化在水中形成的空洞稱為空穴，球形空穴常被稱為空泡，較大的空穴稱為空腔，帶有空穴的水流常稱為空穴流。除了水這一常見的液體之外，其他液體如原子能電站中常用的傳熱介質液態金屬鉀、鈉、鉍以及飛行器中的液氫還有液壓系統中的液壓油等，也常會發現空化現象[1]。

　　空化現象包括空泡的產生、發育和潰滅，是一個非恒定的過程。低壓區發生空化的液體攜帶著大量的空泡，形成了兩相流運動，破壞了液體宏觀上的連續性。空泡在流經高壓區時發生潰滅，潰滅時會產生很大的瞬時壓強，當潰滅發生在固體表面附近時，空泡潰滅產生持續的高溫高壓作用，會破壞固體表面，此現象稱為空蝕。

　　泥沙磨損則是由于在流體中含有一定比例的不同直徑的砂礫等懸浮物固體顆粒，這些顆粒在不同流速以及不同含沙量的流體當中，會撞擊和磨損過流部件表面，從而使機件發生疲勞甚至損壞。

　　固體與水流作相對運動時，水的內部或水固交界面上的空化狀態可分為以下4種：亞空化狀態(沒有空化的狀態)、臨界空化狀態(開始出現空化的狀態)、局部空化狀態(水固交界面或鄰近水體內部出現空化的狀態)和超空化狀態(固體整個邊界面上和靠近固體的尾端都出現空化的狀態)。不同狀態的空化數σ值不同。鄭雪玉等[2]總結了不同的水工建筑物的初生空化數計算公式及比尺效應，在國內外專家學者研究的基礎上歸納了不同部位的初生空化判斷標準。需要指出的是，空化現象不僅發生在液體內部，也會出現在固體邊界上。空蝕卻是由于空泡的潰滅所引起的過流表面材料的損壞，即其發生在固體邊界處。其中空泡在潰滅過程中伴隨著機械作用、電化學作用、熱力學作用和化學腐蝕作用等過程[3]。雖然目前空蝕發生的機理眾說紛紜，但專家學者普遍比較公認發生空蝕的主要原因是空泡潰滅所產生的機械作用，機械作用中大家又都比較認可沖擊波模式和射流模式2種模式作用論。

　　根據不同的空穴外觀，按照空穴發生的條件和其主要的物理特性將空化現象分為以下4類：①游移型空化，即單個的隨水流一起運動的不穩定的空泡或空穴;②固定型空化，即游移型空泡沿固定型空穴內表面移動直至潰滅的周期性循環過程，發生在邊壁上壓強近于臨界壓力處;③漩渦型空化，主要見于船舶工程中的螺旋槳葉梢附近的梢渦中，在螺旋槳的轂渦(轂渦空化)中，中心壓強最低，首先發生空化;④振蕩型空化，即一些傳感器表面的高頻振動，在不流動水體中(一般是在不流動水體中)造成的空化[1]。發生在水力機械內部的空化空蝕問題有其自身的特點，以水輪機為例，根據其發生的部位不同，習慣上又定義了4種空化空蝕類型：翼型空化空蝕、間隙空化空蝕、局部空化空蝕和空腔空化空蝕[4]。

　　另外，由于中國黃土高原自身土質結構比較特殊，且水流中自身均含有一定的泥沙粒子，故中國的河流含沙量很大，黃河中下游河流尤為嚴重。中國南方也不排除有一些流經特殊地質的河流，但其普遍含沙量較低。高速含沙水流本身就是一種極其紊亂的流體。顆粒的存在破壞了水流的連續性，導致水流更加紊亂。此外，顆粒攜帶的氣核一般會促進空化的提前發生[5,6],流體的紊動伴隨著脈動壓強的產生，壓強的變化又加快了空泡的潰滅，同時也加劇了空蝕的破壞程度。

　　磨損可按其作用外貌的不同，分為普遍磨損和局部磨損兩大類。這2種磨損由不同的水力原因所造成。局部磨損常出現在水流急劇轉向、沖角加大處即出現在間斷面之后發生漩渦脫流處或易受到泥沙直接打擊的部位，而普遍磨損通常出現在水流比較平順的繞流表面，布紋和魚鱗的深度常常較淺。而局部磨損雖然波及的面積范圍較小，但由于破壞較深，所以常常成為影響安全運行的控制因素[7]。

　　水力機械在含沙水流運行中遭受的破壞主要可分為磨損、空化空蝕和磨蝕三大類，不同原因產生的破壞特征是有區別的。空蝕破壞的主要特征是初期金屬表面往往僅變粗糙、失去光澤，之后可以觀察到表面出現針孔和麻點。再之后，針孔和麻點逐漸密集加深連成一片，形成蜂窩、麻面和海綿狀。磨損初期有時表現為拋光發亮，之后逐漸觀察到出現大面積的深度很淺的波紋和魚鱗狀，再之后則由波浪形魚鱗坑發展成相互串通呈溝槽狀。磨損與空蝕同時存在時，則表面同時具有以上2種破壞的特征，但當一種破壞的強度大大超過另外一種破壞時，則較弱的一種破壞痕跡，也可能被掩蓋，而不被察覺。

　　2 、影響空化、空蝕和泥沙磨損的關鍵因素

　　縱觀前人的研究成果，影響空化空蝕的主要因素有以下方面。①液體內部的含氣量及氣核量。Kawakami等[8]專門針對水內氣體含量對空化的影響做了實驗探究，發現水質對空化有顯著影響。眾所周知，純水(不含任何異相介質的水)是不會發生空化的，而天然水含有其他雜質，這些雜質的表面會附著一些粒徑很小的氣核。當來流中含有較多氣體及氣核，則液體流經低于臨界壓力區時，這些氣體會發育成空穴，含氣量和氣核量越多，則空化就越嚴重[5]。②液流性質及其速度。這是由于液體的種類不同，其發生空化的臨界壓力值也隨之改變，且由于其自身的黏性會影響空化初生的位置。另外液體速度的不同，會影響壓力分布及其紊動程度，只要使壓強低于液體臨界汽化壓力即發生空蝕[9]。③過流部件的參數及其表面粗糙度。過流部件中，葉片的進口厚度、和水力機械的進口流道相關參數需要根據自身運行情況合理設置，不同的參數會影響來流的速度分布，從而影響機組的空化性能[10]。④過流部件表面材料。在易發生空化空蝕的關鍵部位采用高耐磨的材料，不失為減輕空化空蝕危害的一種好辦法。日本的Mitsubishi重工業集團就曾專門對13種涂層等材料做了試驗研究，分析其抗磨性能[11]。從20世紀60年代發展起來的具有比傳統的碳鋼更高的抗空蝕性能的Cr-Ni-Mo系不銹鋼，到硬度更高的Fe-Mn-Al合金，到有極高的硬度從而比一般的碳鋼和合金鋼具有高的抗空蝕性能的金屬陶瓷WC-Co, 再到Ti-Al系合金、新型的Cr-Mn-N不銹鋼、具有超彈性可以吸收空泡潰滅產生的強大沖擊波的Ti-Ni合金，抗空蝕材料的抗空蝕性能大大提高。由于空蝕僅發生在金屬構件的表面，為提高性能和降低成本，抗空蝕金屬涂層及相關的與金屬基體的結合工藝成為具有實用價值的科研熱點[12]。

　　影響泥沙磨損強度的因素有以下方面。①液體含沙直徑及其含量。文獻[13]指出1 μm以下的小粒徑顆粒磨損伴隨沖擊波破壞模式和空蝕同時發生于固體邊界，兩者損害程度不分伯仲;而10 μm以上的大粒徑顆粒磨損伴隨著微射流破壞模式和空蝕同時作用于過流部件壁面，但其磨損損害程度要大于空蝕損害程度。Warman國際公司研究小組針對磨粒直徑的大小和流量的不同對磨蝕的影響進行了實驗研究，發現水力機械不同位置受磨粒直徑大小的影響不同[14]。文獻[15]指出，當含沙量整體較低時，砂礫數目含量的增加會促進磨蝕，當增長到某一臨界值時，砂礫數目的增加反而會抑制磨蝕的程度。沈鑫偉等[16]對不同泥沙濃度下的旋轉圓盤空化特性數值模擬研究發現，當直徑為0.01 mm的泥沙顆粒濃度增大至0.09的過程中，空化越來越劇烈，當達到0.09繼續增加時，空化反而會隨著濃度的增加受到抑制。但具體問題要結合實際具體分析，臨界含沙量與該地區的水流條件、泥沙特性、壁面材料等有關，不能一概而論。②空蝕程度。屈紅崗[17]指出在空蝕發生后，過流部件壁面受到了破壞，由于導波作用，砂礫隨水流進入蝕坑中，往往蝕坑內流態紊亂，從而加重其磨蝕程度。

　　3、 空化、空蝕和泥沙磨損的主要試驗方法

　　針對磨蝕這一現象的試驗方法目前主要有：①超聲振動空蝕法，即利用超聲波引起特定頻率的壓力脈動，從而使液體局部壓力降低產生空化空蝕[18];②文丘里管空蝕法，主要是在文丘里管喉部斷面收縮處，流速變大，壓力降低，從而發生空化空蝕[19],Matev? Dular等[20,21,22]采用文丘里管法，將薄鋁箔附著在其斷面處，使用高幀率相機觀察空化結構及空蝕現象，研究空化泡引起空蝕坑的機理;③水洞試驗臺法[23];④孔板射流法[24],Yong Wang 等[25]使用孔板系統做了空化流動和空蝕的實驗分析，通過3種不同的圖像處理方法研究空化強度對空蝕的影響;⑤旋轉裝置法，在高速旋轉的裝置上有凹陷的小孔或凸起體，使小孔或凸起后部發生空化空蝕[26]。Ge X F等[27]就通過旋轉圓盤裝置，進行了空化的試驗研究，葛新峰等[28]在旋轉圓盤實驗中還定義了旋轉圓盤空化系數，發現了旋轉圓盤轉速n與空化數成冪函數關系，轉速越大，空化數越小。

　　空化的發生伴隨著空泡的成長與潰滅，針對空化與否的主要觀察方法有目測法、噪聲法、光學法、影像法。

　　衡量磨蝕程度的方法主要有傳感器直接測量和間接測量磨蝕參數反推的2種方法。近年來金屬薄膜蝕點測試法由于其高效且經濟，被廣泛應用于磨蝕試驗中[29]。Jin-Keun Choi等[30]就研究了點蝕試驗中，金屬材料表面在空化沖擊力作用下發生變形的數值模擬，探究材料點蝕與空化作用力的關系。Davide Carnelia等[31]在點蝕試驗中還通過應用納米壓痕測量法與材料力學進行了耦合，成功地評估了空化的沖擊壓力及其分布。

　　4 、CFD技術在研究空化、空蝕和泥沙磨損中的應用

　　隨著科技的發展，基于計算機技術的計算流體力學(Computational Fuid Dynamics, 簡稱CFD)技術也取得了長足的進步，已經被廣泛應用于流體分析中。CFD技術可以創建一個虛擬的測試平臺，大大的節省人力物力，準確的預測出機組的相關參數，且可將內部流動“可視化”更加方便地進行觀察與改進[32]。而且數值模擬技術具有試驗不具備的理想化狀態，利用數值模擬可實現空化特性的準確相似，可促進對空化空蝕機理的進一步深入探索[33]。但CFD技術的關鍵一招是計算模型的建立，Ashok K Singhal等[34]指出全空化模型對空化數值研究起決定性的推動作用，模型的準確與否直接決定了計算的好壞。

　　Tamura等[35]在Rayleigh-Plesset的基礎上提出了空泡模型，Peshkovsky等[36]還針對聲空化建立了一種沖擊波模型，Yu An等[37]考慮了黏性效應及密度、壓力等局部變化提出了一種空化模型，LINDAU J等[38]則提出了一種用于氣體模擬的空化模型。為了不斷改進空化的數值模擬，在雷諾數平均Navier-Stokes方法(即RANS方法)中，Johansen等[39]在模型的基礎上發展了FBM模型，Huang Biao等[40]又將FBM模型和DCM模型結合，提出了FBDCM模型，而Girimaji[41]提出了基于部分平均Navier-Stokes方法(即PAN方法),已被應用于湍流空化數值模擬中。高忠信等[42]建立了一種三維泥沙固液兩相紊流計算模型，通過數值運算和試驗驗證證明了其一定程度上的合理性。可以在一定程度上代替模型試驗對水輪機轉輪的磨損部位和強度進行數值預估。還有吳玉林、劉小兵等專家學者也提出了固液兩相湍流模型對水力機械的磨蝕開展數值模擬研究，Okita等[43]采用DES湍流模型和改進的空化模型進行了數值模擬研究，Andreas Peters等[44]提出一種新的三維歐拉空蝕模型，并通過數值模擬和實驗對比，發現該模型能夠很好的發現空蝕敏感區并能區分空蝕強度。Regiane Fortes Patella等[45]提出一種基于疲勞判據的空蝕模型，通過空蝕質量損失的數值模擬，發現其預測效果和實驗數據吻合程度良好。目前的數值模擬技術也已經取得了一些進步[46],但理論尚不完善，模擬結果缺乏普遍性和精確性，仍有諸多問題亟待解決，但隨著計算技術的不斷發展，不斷地掌握試驗資料，一切問題都會被解決的[47]。

　　5、 空化、空蝕和泥沙磨損的防護與利用

　　目前磨蝕現象的機理尚未完全清晰，無法避免其發生，關鍵在于在實際工程中如何把損失降到最低，以及如何在其他領域中利用目前已掌握的原理。金泰來[48]提出了一種摻氣減蝕的方法，形成近壁氣墊，阻尼潰滅壓力，或向低壓區補氣，降低負壓。董志勇等[49]在浙江工業大學直流水洞的試驗中發現摻氣后的水流壓力顯著增高，空化數顯著增加，但減小空蝕的最低摻氣濃度與水流流速存在的冪函數關系。計志也[50]則指出國外普遍用于汽缸減蝕的方法則是向液體中添加防蝕劑。李志博等[51]主要從液壓裝置結構、參數、壓力和運行維護4個方面提出了10種減輕液壓系統空化空蝕損害的措施。賀文靜[52]詳細的介紹了一種在水電站的機組空蝕區域涂抹環氧樹脂配方劑的辦法來有效減免金盤子電站的磨蝕。趙雙杰[53]也介紹了關于不同類型磨蝕的對應處理措施，以減少水機磨蝕。Yang J等[54]對水翼的空化特性進行了數值研究，探討分析了升阻比隨空化程度的變化情況。近年來，有專家學者從翼型葉片穿孔來探索對空化性能的影響，于鳳榮等[55]發現翼型結構穿孔會改變流體繞流翼型的壓力場分布及流道內的最低壓力值，破壞了空化的發生條件，可有效防止空化。胡贊熬等[56]則發現對離心泵葉輪穿孔對空化性能的影響主要與流體壓力面與吸力面的能量差及開孔能量損失的差值有關。差值為正則會抑制空化，差值為負還會加劇空化。減輕磨蝕的危害主要即從設計、運行、制造3方面下手。具體如下。

　　a)改善水力機械的設計。針對不同形式的機組設備，相應的改善其易于發生磨蝕的設計條件，有目的的結合應用裝置，根據液流實際情況做出更有利于機組的設計參數，從而改善其運行條件。不過，一般來講都是從優化水力機械葉片結構等方面入手，目前已有研發并應用且取得很好效果的新型葉片，如“X”型水輪機葉片以及一些超空化水力機械[57]。

　　b)直接采用更耐磨蝕的水機材料。把易發生磨蝕的部位或部件的材料替換成耐磨性更好的材料是最直接的一種做法，但不會根除或減輕磨蝕的程度，僅是降低了機體的受損傷程度。如在水電站中普遍使用抗蝕材料涂層，以減少機體受到的磨蝕損害。隨著材料技術的不斷進步，尤其是納米技術的發展，也為水機涂層材料提供了一個新方向。

　　c)提高加工工藝水平。很多磨蝕往往都是因為過流表面不平整而產生的水力突變引起。故提高加工工藝水平，更大限度的與設計保持一致，會更多的減輕機體發生磨蝕的條件，大大提高機組運行效率。

　　d)改善運行工況。采用合理的運行工況。在設計的最優工況下空化與空蝕的程度要小很多，那么就要減少機組在非最優工況下的運行時間。此外，汛期含沙量大，避開在汛期或含沙時段量大的時間運行也十分有利于延長設備的使用壽命。

　　雖然空化空蝕與泥沙磨損有很大的破壞力，但如果加以利用，也可造福人類。KUMAR P S利用水力空化進行了蓖麻油、紅花油的水解實驗[58],陳大融[59]指出在超聲醫學領域借助空化機理以低頻高能量的形式作用于人體，從而使人體組織發生某種有利于身體健康的某種變化;在化學領域通過空化空蝕產生的高溫高壓及沖擊波和微射流來促進化學中的合成、分解、催化等作用;在常溫中子聚變領域通過空化給脈沖中子發生器產生的微空泡提供足夠的能量，以得到一定產額的中子，從而控制聚變反應。Teleyarkhan等[60]就利用空化來研究常溫中子聚變問題。Pandit等[61]發現在生物的細胞裂解實驗中，利用空化作用為實驗輸入的能量值是傳統方法能耗的5%～10%,大大提高了能量利用率。武君等[62]提到目前水力空化重要的工業應用領域是制漿工業，由于木漿精煉耗能在總耗能中占比1/3,故利用水力空化為木漿精煉提供能量，可極大的節約能源。李根生等[63]則從礦采工程中的鉆井方向利用了空化空蝕現象，其介紹了7種空化射流噴嘴鉆頭和6種產生空化射流的方法。朱昊[64]還介紹了空化射流技術在管道清洗、材料切割加工等方面的應用。Hitoshi Soyama[65]則將空化引入到表面處理工藝中，提出一種使用激光空化供能進行噴丸的一種表面處理工藝，并通過試驗驗證了該方法的可行性。

　　6 、結語

　　磨蝕破壞不僅造成巨大的經濟損失，還嚴重影響水電站與泵站的安全運行。由于機組運行工況復雜多變，涉及復雜的氣液兩相流、泥沙磨損、摩擦學、材料學和表面防護等多學科問題，具有多相、微觀、瞬態和隨機的特點，相關的理論建模和試驗研究往往十分復雜和困難。因此，水力機械的空化空蝕和泥沙磨損是一個十分復雜的物理過程，目前有關研究雖取得了一定的進展，但仍不充分。未來建議重視在以下方面的研究。

　　a)空蝕的機理。空蝕涉及到固、液、氣3種形態，流動分析十分復雜，且為瞬態過程。目前關于空蝕的研究主要是基于單空泡潰滅的過程，而多空泡及空泡群的潰滅過程要遠遠比單空泡潰滅復雜。隨著科技的不斷發展，顯微攝像技術也在不斷地進步，利用這些高科技更好的來揭開空蝕的神秘面紗，只有追本溯源，才能根除或者針對性的減輕磨蝕對工程的損害。

　　b)數值模擬技術的運用。一方面在實踐中不斷的優化CFD技術，使其有更高的適應性、精度和可上手性，使CFD朝著專業領域不斷的深入下去。另一方面也要在不斷優化CFD技術的同時，利用現有的技術開展磨蝕數值模擬，建立起水力機械內部過流部件在一定工況下的良好預測模型。隨著不斷的發展，CFD技術必將顯露出更加蓬勃的生命力。

　　c)多學科分析。由于磨蝕問題涉及流體力學、熱力學、材料學、化學等學科，因此需要著重培養交叉學科型人才和多學科分析精神，在探索磨蝕奧秘的同時，更好的帶動本學科的發展，造福社會。

　　參考文獻

　　[1]黃繼湯空化與空蝕的原理及應用[M].北京:清華大學出版社，1991.

　　[2]鄭雪玉,吳時強,楊家修.水I建筑物初生空化數及其比尺效應研究進展[J]水利水電科技進展, 2021,41(1):87-94.

　　《水力機械磨蝕研究綜述》來源：《人民珠江》，作者：李曉超,謝威威,張浩