空穴現象(Cavitation),又譯氣穴現象、氣蝕現象、空蝕現象、空穴效應或空洞現象,指的是在流動的液體中,因為壓力差在短時間內發生氣泡的產生與消滅的物理現象。
現象
在流動的液體中,壓力在非常短的時間內(水的話大氣壓的1/50程度)比飽和蒸氣壓力低的時候、液體中存在的100微米以下的非常微小的氣泡核,在液體中沸騰的現象。沒有氣泡核的話,氣泡也不會簡單的發生。
根據壓力的變化而沸騰,氣體的體積也隨著變化,氣泡的大小也會改變。膨張與收縮的反覆,應對於壓力而變小。變小的過程中、螺旋槳等堅硬的表面上,氣 泡的黏性與表面張力的作用下、以噴氣式飛機樣的高速,與表面衝突,之後氣泡分裂。這個噴氣流在堅硬的表面上發生腐蝕。這個過程被記述為,氣泡運動力學的瑞 利(Rayleigh)運動方程式。
最終是周圍的壓力比飽和蒸氣壓力高、周圍的液體向著氣泡的中心衝去、氣泡消滅瞬間,因為在中心的衝突,發生微小而強大的壓力波、使得發生噪音、振動。過高的壓力也會損壞金屬。因炸彈在水中爆炸,而發生大量的高壓氣泡所擁有的破壞力,cavitation波被叫做bulb pules。
水中的空穴現象所作成的30微米前後的微小的氣泡、50KHz以上的高週波水中振動波(水中音波)高効率的減衰。
例子
庭院的撒水
在庭院撒水的時候,將水管彎曲時變狹小的地方所發出的聲音就是因為發生了空穴現象。透明的管子的話,在彎曲處的數厘米處,內部的水看起來是白色渾濁的。
超音波洗浄機
用超音波來產生空穴現象,清除物體表面的污垢。
渦輪螺旋槳
空穴現象的發生是因為產生的氣泡、水泵或渦輪等不能充分的推動水流、換句話說就是接近空轉的狀態。無用的能源被消耗,使得機器的效率低下。而且同時產生的壓力波使的這些機器的轉動翼表面的被腐蝕,效率下降或被毀壞。
內燃機
水冷引擎的水泵的渦輪的損耗的原因。
飛彈引擎
防止法
為了不發生空穴現象、有形狀與面積的2個方法:
- 流體的壓力不在飽和蒸氣壓以下,流體接觸面的形狀的最合適化。
- 與流體的接觸面積變大,不在飽和蒸氣壓以下,能夠伝達必要的力、將螺旋槳變大。
超空蝕
增加在水中移動的物體的速度、隨之而來的是空穴現象所產生的氣泡的量的増加、接著是完全覆蓋物體。這個現象被叫做超空蝕(super cavitation)。利用這個原理的提高速度的船的螺旋槳被稱為super cavitaion propeller(SCP)。
除去移動方向的一部分外,因為不與水接觸、基本上不承受水的抵抗力、能達到在水中所不能想像的速度。