§5.4 汽泡的生命周期和溃灭

在《泵与风机》教材中，我们曾把汽蚀区别为以下几种型式，即移动汽蚀、固定汽蚀、旋涡汽蚀和振动汽蚀。虽然移动汽蚀和振动汽蚀主要与单个球形汽泡的增长和溃灭有关，但在固定汽蚀和旋涡汽蚀中也会出现这种单个球形汽泡的现象。因此，单个球形汽泡的形成、增长和溃灭是研究汽蚀的主要出发点。

前面已经从汽蚀核子的观点出发讨论了汽泡的形成和增长过程，但是，汽泡的溃灭过程却并不是单调的，这已由对汽泡寿命的整个过程的高速摄影所证明。由高速摄影的研究可知，汽蚀核子出现之后，首先是连续地增长，直到它的最大直径为止。然后就很快地溃灭到零或接近于零的尺寸。实验表明，当汽泡移向高压区域时就发生溃灭，但溃灭之后又马上发生较小尺寸的重新增长，接着又重新溃灭。这种回跃的周期很清楚地要重复两次，并且有发生第三次回跃的迹象，此时，移动汽蚀中靠近物体的汽泡呈球形，在第一次溃灭时，汽泡有着明显的变形。在汽泡回跃周期时又呈恢复球形的趋向，而在溃灭时又再次变形。汽泡形成和溃灭时的运动如图5-2的示意图所示。

由此可知，汽泡的整个生存时期可以分为以下几个阶段_：

（1）汽泡形成并增长到最大直径；

（2）第一次溃灭和第一次回跃（从第一次溃灭和增长到第二次最大直径）；

（3）第三次溃灭和再回跃；

（4）第三次、甚至第四次，第五次……溃灭和回跃，直到最终消失。

图5-2是在特定的试验条件下得到的，汽泡的生命过程的特点却已被揭示出来。显然，由于观察到的单个汽泡是球形的，所以在前文中用沿径向的力和速度来分析单个球形汽泡也是可行的。图5-3表示汽泡尺寸在增任和溃灭过程中随时间的变化，图中同时还表示了汽泡的体积随时间的变化，该图所示的情况与图5-2 所示的汽泡运动过程是完全一致的。汽泡的整个生命周期大约为0. 006s。

由上述可知，一直在增长扩大的汽泡在到达压强升高的区域后，就开始缩小。由于汽泡中主要含有饱和蒸汽和少许由液体中扩散进去的空气，且其压强等于饱和蒸汽压，所以在汽泡开始溃灭的瞬间，汽泡中的蒸汽空气混合气的温度低于周围液体的温度，但是，由于汽泡在受到压缩时尺寸减小，汽泡内混合气的温度因压缩作功和蒸汽的凝结潜热而升高，因此其中的温度反过来又大于周围液体的温度。由图5-3可知，汽泡的溃灭时间比其增长的时间要小得多，且溃灭时的速度也随汽泡尺寸的减小而增大，从而便其中蒸汽的凝结速度也随之增大。

显然，由于摩擦和传热方面的原因，汽泡周期性地回跃和溃灭的过程是逐渐衰减的，经过几次的回跃和增长之后汽泡就完全消失。

汽泡的溃灭过程可形象地说明如 下。图5-4表示液流中的球形汽泡相对于周围的液体运动时随时间的变化情况。汽泡在受到逆压梯度时，其一侧逐渐变平坦，并在最终溃灭时将形成一股微细射流，微细射流的速度相当大，普莱赛特（M.S.Plesset)估计在水中将达130m/s〜170m/s,而勃隆顿（J.H.Bnmum)则估计可达1000m/s。图5-5表示汽泡溃灭时的各种可能的形式，其中包括附着汽泡、 压力梯度和近壁效应。由图可知，无论在那种情况下，汽泡溃灭时都将形成微细射流。实验表明，最初直径约为4mm的球形汽泡，其最终的微细射流的直径约为80μm，而射流速度约为100m/s。上述关于微细射流的论述和材料因微细射流而受损的情况已为实验所证实。