引言
水力機械的空化、空蝕和穩定運行問題歷來是水力機械行業共同關注的基本問題。經過近百年來的研究探索，特別是不銹鋼等抗空蝕材料的大量采用，空蝕對水力機械的危害程度已有所減輕，水力因素導致的水力機械運行不穩定也得到一定扼制。但是，當空化發生后，水中摻雜了空化氣泡（以下簡稱“空泡”）或空化空腔（以下簡稱“空腔”），水流變成了氣液兩相流，使原來的單相流特性產生了很大的變化。過去有許多概念和認識是建立在單相流基礎上的，關于空化和壓力脈動、壓力脈動和空蝕等之間的關系及空泡和空腔在其中的作用等不是很清楚，甚至有部分錯誤的認識和理解，給深入研究和解決水力穩定性等問題帶來一定影響。本文擬從對空化、空泡和空腔的深入分析入手，解析它們對兩相流條件下穩定性等帶來的危害，以進一步理清它們之間的相互關系。
1 空化、空泡和空腔
一般的氣泡內部壓力大多高于或接近于大氣壓，通常在水力機械模型試驗時看到的游離氣泡和部分附著在流道表面的氣泡多屬于該類氣泡?？张輨t是指水體空化后產生的氣泡，且空泡內的壓力通常都低于空化壓力?？张輰儆跉馀?，但不同于一般氣泡，二者最大、最本質的區別在于內部壓力是否低于空化壓力。
當然，空泡內的主要成分是水蒸汽，氮氣、氧氣等空氣中主要成份較少；而水中的游離氣泡則不同，其主要成分是空氣。
高壓氣泡在水中的存在方式由其壓力屬性決定，只能存在于其適合的壓力區。當其附著于葉片等流道表面時，可能隨壓力變化而改變尺寸大小，反而不易被裹夾進水流；只有當壓力降低到負壓甚至汽化壓力之后，這些氣泡才更容易被“吸”走，這也是空化試驗前先抽真空并保持一段時間的原因之一。那些游離于水中的高壓氣泡也不例外，其只能存在于高壓區，即使偶爾被水流裹夾進低壓區，一旦失去裹夾力的限制，其自然會“漂移”至高壓區，這也是通常稱其為游離氣泡的原因。許多水電站試圖用補氣的方式消除壓力脈動沒有成功，大多是因為補氣位置選擇不當，補氣點壓力高，補入的高壓空氣和游離氣泡一樣向高壓區漂移，大部分空氣沒有進入低壓空腔，因此起不到降低壓力脈動作用。即使是補入尾水管渦帶中心的空氣，也難以避免其向錐管外側擴散（如圖 1 所示）。當然，也不能完全排除有部分游離氣泡留在了空化區，但其壓力勢必相應降低到該區域“生存”壓力，以適應在該壓力區的存在需求。
空化形成的低壓空泡和常規高壓氣泡的另一重要區別是低壓空泡的可潰滅特性。當空泡受到高壓沖擊時，其可以快速潰滅。即使空泡不能完全的“消于無型”，但其或被擊穿潰滅，或被壓縮還原為液態水和微小的“氣核”，都可能因自身的潰滅而使靠近的固體邊壁產生空蝕。而高壓氣泡則不同，其不可能潰滅，只能被壓縮導致壓力進一步升高，即使被周圍空泡潰滅的沖擊射流擊碎為更小氣泡，高壓空氣也會對沖擊射流起到緩沖作用，減輕空蝕。
空腔是空泡的聚集群，區別于空泡的“單體”，有“團體”屬性。根據空腔危害水力機械穩定性理論，空腔的體積聚集到一定程度后，具備了放大壓力脈動的能力，其主要危害對象已從材料（指對材料的空蝕）轉為對穩定性的影響，產生的主要危害是加劇壓力脈動和振動等不穩定現象及其引起的相應破壞。當然，對于聚集在流道邊壁附近的空泡聚集群－空腔，如果其比較薄，和邊壁間無水體間隔，也很容易發生空蝕。
但若空腔體比較厚，尤其是內部壓力低，隨壓力變化空腔不至于整體潰滅，其對邊壁的空蝕反而可能因未潰滅空腔的緩沖作用而降低。
空腔由空泡群組成，空泡和空泡之間仍然由空泡壁隔開，并沒有形成為一無割斷的連通區域。而空泡壁的存在使空腔在水中具有可見的特性，給研究空腔的存在形態、產生影響及危害機理提供了良好觀測條件。此外，空腔內空泡個體的存在使空泡的快速“潰滅”和“生成”非常容易，當水體壓力脈動傳遞給空腔時，引起的空腔體積變化會比文獻[2]所分析的還要大，放大壓力脈動的作用也更大。其原因是，當壓力降低時，空腔附近的水體可能因壓力低于空化壓力而空化形成新空泡，使空腔體積更大；當壓力增高時，空腔邊緣的空泡可能因壓力高于空化壓力而潰滅變回液態，使空腔體積比按比例收縮得更小，從而使空腔體積產生更大的“膨脹－收縮”變形。也就是說，伴隨著壓力脈動的空腔“膨脹－收縮”變形在空腔邊界附近實際還存在空腔的“產生－潰滅”變化，二者的疊加使“膨脹－收縮”變形幅度進一步加大。
2 水力機械內的氣液兩相流
2.1 氣液兩相流和單相流的區別
所謂氣液兩相流，是指有氣泡、氣泡群或氣體空腔加入的液態流體。就水力機械的氣液兩相流而言，其氣泡或氣泡群主要為空化氣泡－“空泡”，氣體空腔也多指空化空腔，“氣相”的空泡或空腔都具有低壓特性。
就常規氣液兩相流而言，其和單相流的本質區別在于“氣相”加入帶來的可壓縮性。而水力機械內多見的兩相流中的“氣相”屬空化產生的水蒸汽，該兩相流和單純水體的單相流的最主要區別不僅是空泡或空腔具有可壓縮性，還在于其低壓特性。
2.2 水力機械氣液兩相流的本質特性
水力機械流道內的氣液兩相流中的空泡和空腔，壓力通常都低于水的汽化壓力，這也是構成其獨特性能的主要原因。正是由于空泡的低壓及可壓縮性，導致空泡在高壓下可潰滅，產生對流道邊壁材料的空蝕。
同樣，由于空腔的低壓及可壓縮性，使空腔具備了可潰滅特性，在空腔較大的條件下會由于空腔的突然潰滅而引起工況波動或水體震蕩，從而產生強烈振動和不穩定；也會使空腔具有高收縮比，附加在空腔上的較小壓力脈動即可能引起空腔體積的大幅度變化，而這一空腔的“收縮－膨脹”則可能進一步擾亂水流，放大壓力脈動。
3 空腔和壓力脈動及穩定性關系
3.1 空腔的體積及連續性
散亂的小空腔接近于空泡團，其對穩定性的破壞力遠不如大空腔，即使這些小空腔的體積之和大于大空腔，它們對壓力脈動的放大作用也遠小于“一體化”（緊密聯系在一起的連續體）的大空腔。究其原因，其關鍵因素是分散的小空泡群“膨脹－收縮”的頻率各不相同，作用力方向不一致，無法形成合力。例如，在模型試驗時，有時確實會觀測到某些水輪機轉輪的尾水管渦帶比較大，但其壓力脈動幅值并不大，遠不像渦帶外形尺寸所表現的那么嚴重。仔細觀察會發現，這些渦帶比較“散碎”，不夠“實”，大渦帶內有散亂的小空腔（如圖 2 所示），中間夾雜著水體，其散亂、不連續的特點造成其無法形成合力，放大壓力脈動的作用大大降低。
3.2 空腔破壞力探討
空化系數 σ（或凈正吸出高度 NPSH ）和渦帶壓力脈動幅值 ?H 之間的關系其實表現為渦帶空腔尺寸（包括其偏心矩）對壓力脈動的影響。仔細分析渦帶壓力脈動和凈正吸出高度之間的關系曲線（見圖 3）可以發現，壓力脈動幅值在一定范圍內隨 NPSH（NPSH=σ·H，H 為水頭）的降低而增加，但增加到其最高值后，壓力脈動幅值會逐漸降低。
根據觀察和分析，原因可能來自于兩個方面。其一，壓力脈動測量點的壓力最低時已低于汽化壓力，而絕對汽化壓力已接近于零壓力，無法繼續降低，測量的壓力脈動曲線出現所謂的“削波”現象，其下部波形“谷底”區域被削平，接近于“平底”，幅值自然就降低了。另外一個可能的原因是渦帶發展到一定程度后，幾乎充滿整個尾水管直錐段，渦帶偏心矩變小，空腔變散，壓力脈動幅值降低。
但是，絕不能據此確認此時的壓力脈動幅值降低會帶來穩定性變好。所謂的“削波”現象會導致空腔直接作用于尾水管邊壁，作用面積增加，作用力非常大，噪音也非常大，振動不但不會隨壓力脈動幅值的降低而降低，反而有可能增加，破壞力會更大。因為低壓作用面積增大后更容易加大尾水管、轉輪、頂蓋等過流部件的局部彈性變形，從而增強機組或廠房振動。
4 壓力脈動和空蝕的關系
以上主要論述了空化及其形成的空腔對壓力脈動的影響，更多地關注于空化空腔對水力機械運行穩定性的危害。實際上，壓力脈動對空化和空蝕也是有影響的，不僅強烈的高頻振動或壓力脈動可能會導致空化發生，而且劇烈的壓力脈動也可能會導致空蝕的發生或增強空蝕強度，成為空蝕的幫兇。
假定水力機械運行時沒有壓力脈動，同一個空間位置在不同時刻的壓力是恒定的，空化產生的氣泡只有流動到壓力大于汽化壓力的區域才可能因氣泡破裂而產生對流道邊壁材料的空蝕。對于一般的水輪機翼型空化而言，低壓區多位于轉輪葉片出水邊背面，而且該低壓區最低壓力通常出現在出水邊附近。因此，在壓力穩定的條件下，空泡不會在葉片表面潰滅，只可能在離開葉片（或貼近出水邊的一條細帶）后因壓力上升到汽化壓力以上而破裂，產生所謂的“超空化”或出水邊細帶狀空蝕，不會對葉片造成較大面積的空蝕。但如果有較強壓力脈動存在，足以使壓力由低于汽化壓力的空泡產生狀態轉變為高于汽化壓力的空泡潰滅狀態，就可能在空化區的邊界部分（壓力稍高部分）或整個空化區產生空蝕。
另外一種狀況是，如果沒有壓力脈動發生，低壓區最低壓力高于空化壓力，不會產生空化，當然也無空蝕可言。但如有壓力脈動發生，其低壓“谷值”有可能把低壓區壓力降低到汽化壓力以下產生空化，而高壓“峰值”又可能把空泡群壓力提高到汽化壓力以上使空泡潰滅產生空蝕。
強壓力脈動還有可能增加空蝕破壞的強度，其高壓“波峰”對空泡群的附加力和沖擊速度可能加大對流道邊壁空泡的沖擊力，增強空蝕。因此，當壓力脈動幅值較大時，有必要增大空化安全系數，以防止因強壓力脈動而導致附加的空蝕破壞?！緢D略】
5 結論
① 空泡、空腔內壓力低于汽化壓力，而游離氣泡內的壓力通常在大氣壓附近。水輪機中常規的尾水管渦帶應由空泡群或空腔構成，而非游離氣泡。
② 水力機械氣液兩相流中的空腔由空泡群組成?？张菀詡€體存在，其空泡壁使空腔具有“可見性”，空泡個體的快速潰滅及生成特性使空腔對放大壓力脈動的可能性變得更大。
③ 空腔的連續性對其危害性影響很大，散亂的小空泡群即使合計體積很大，也會因難以形成合力而危害性較小。
④ 當渦帶空腔大部分和尾水管邊壁接觸時，渦帶壓力脈動波形會產生“削波”現象，盡管表面上造成了測試的壓力脈動幅值減小，但其給穩定性帶來的危害會更大。
⑤ 壓力脈動會增強空化和空蝕，甚至有可能使超空化轉變為對流道邊壁的實際空蝕，當壓力脈動較強時應增大空化安全系數。
