空化和泡Ⅰ：透平尼亞號首航失利之謎1)

張宇寧 張瀟飛

(華北電力大學(xué)電站能量傳遞轉(zhuǎn)化與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

1 巨輪首航

1894年，英國科學(xué)家查爾斯·帕森斯(Charles Parsons)設(shè)計(jì)了一種叫做透平尼亞號(Turbinia)的實(shí)驗(yàn)船（見圖1），該實(shí)驗(yàn)船最大的特色是采用蒸汽渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)船舶的前進(jìn)。透平尼亞號的船體較為狹長，由單個(gè)蒸汽輪機(jī)提供船舶行進(jìn)過程中所需要的動(dòng)力，螺旋槳為單個(gè)并采用雙槳葉形式。令人驚訝的是，該船的設(shè)計(jì)運(yùn)行速度可達(dá)到30節(jié)以上。在當(dāng)時(shí)的歷史背景下，能夠以如此快的速度行進(jìn)的船舶十分罕見。因此，無論是在軍事領(lǐng)域還是商業(yè)領(lǐng)域，人們對透平尼亞號均充滿了極大的期待。上預(yù)言空化現(xiàn)象的存在并指出船槳的高速運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生真空并進(jìn)一步影響船槳性能[1]。之后，1897年，為了解決蒸汽輪機(jī)船舶推進(jìn)過程中的效率下降問題，巴納比與帕森斯合作，進(jìn)一步明晰了空化的概念[1]。

圖1 透平尼亞號在海中航行（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

1894年8月2 日，透平尼亞號正式下水。1894年11月14日，透平尼亞號開始試航。令人頗為失望的是，在試航的過程中，透平尼亞號船舶的行進(jìn)速度遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)值，其試航中的最高航行速度僅僅達(dá)到19.75節(jié)，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)運(yùn)行速度。

2 首航失利原因探析與空化

試航結(jié)束后，帕森斯及其合作者詳細(xì)分析了試航失利的原因。從試航數(shù)據(jù)的分析過程中發(fā)現(xiàn)，透平尼亞號實(shí)驗(yàn)船無法達(dá)到設(shè)計(jì)航速的首要原因是螺旋槳故障。具體而言，螺旋槳由于空化的產(chǎn)生導(dǎo)致了推進(jìn)效率降低而無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。此外，螺旋槳表面也存在不同程度的損傷痕跡。遺憾的是，形成上述現(xiàn)象的具體原因和機(jī)理當(dāng)時(shí)尚未厘清。

為了詳細(xì)探析螺旋槳故障的機(jī)理，帕森斯及其合作者開展了密集的研究工作。為了能夠在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)相關(guān)現(xiàn)象，有必要建設(shè)一個(gè)專門的研究水中高速流動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置。1895年，帕森斯建立了世界上第一個(gè)小型高速水洞（見圖2）。該設(shè)備全長約l m，橫截面積為15 cm2，采用頻閃儀觀察高速流動(dòng)現(xiàn)象。

圖2 帕森斯發(fā)明的小型水洞（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察和理論分析結(jié)果，帕森斯發(fā)現(xiàn)螺旋槳周圍的壓力會(huì)隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的升高而降低。特別地，當(dāng)螺旋槳的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的數(shù)值之時(shí)，螺旋槳周圍的水便會(huì)發(fā)生相變現(xiàn)象，導(dǎo)致水由液體變成蒸汽，并在螺旋槳槳葉周圍形成一群群的氣泡。正是這些氣泡的存在嚴(yán)重阻塞和干擾了螺旋槳周圍的流體流動(dòng)，使得已有的設(shè)計(jì)理論失效，導(dǎo)致螺旋槳在試航過程中無法達(dá)到設(shè)計(jì)推進(jìn)效率。實(shí)際上，早在1873年，雷諾便從理論

值得一提的是，上述空化現(xiàn)象與我們平時(shí)燒開水過程中看到的沸騰氣泡的產(chǎn)生機(jī)理和破壞效果有著顯著不同[2]。在燒開水的過程中，一般是通過底部的加熱器不斷提升水的溫度。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水在100℃時(shí)便會(huì)發(fā)生沸騰相變，轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?。而對于螺旋槳旋轉(zhuǎn)所涉及的流動(dòng)，其周圍水的溫度基本上是恒定的。隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的升高，周圍水的動(dòng)能隨之逐漸升高，而其壓力則逐漸降低。當(dāng)局部壓力低于該溫度下所對應(yīng)的水的飽和蒸汽壓之時(shí)（室溫下，該壓力大約為2 300 Pa），水便會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象，轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?/p>

空化現(xiàn)象之所以會(huì)對螺旋槳等產(chǎn)生很強(qiáng)的破壞，主要是因?yàn)槠湫纬芍髸?huì)立刻伴隨著快速而劇烈的潰滅現(xiàn)象。在潰滅的過程中，空化泡的泡壁會(huì)劇烈收縮，并最終演化為細(xì)長的快速水射流并沖擊在螺旋槳的壁面上，從而形成對螺旋槳的嚴(yán)重破壞，即空蝕。而燒開水所產(chǎn)生的氣泡并不會(huì)有此射流現(xiàn)象。

此外，在實(shí)際流體中，液體中不可避免地存在若干雜質(zhì)。這些雜質(zhì)也被稱為氣核，它們?yōu)榭栈F(xiàn)象的產(chǎn)生提供了一定的有利條件，這是因?yàn)闅夂说拇嬖跁?huì)改變液體內(nèi)部的抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而更容易誘導(dǎo)空化的產(chǎn)生?；诖?，當(dāng)需要抑制空化產(chǎn)生之時(shí)，可以通過對液體進(jìn)行除氣來減少氣核的存在。

3 巨輪再啟航

經(jīng)過科學(xué)研究之后，帕森斯發(fā)現(xiàn)空化現(xiàn)象才是透平尼亞號無法達(dá)到設(shè)計(jì)航速的真正原因。圍繞此現(xiàn)象，帕森斯對透平尼亞號進(jìn)行了若干改良（見圖3）。改良的主要措施是將動(dòng)力系統(tǒng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置，從而避免空化現(xiàn)象的產(chǎn)生。具體而言，在原來的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，改良后的透平尼亞號安裝了三個(gè)蒸汽輪機(jī)，并且每個(gè)蒸汽輪機(jī)都對應(yīng)安裝有一個(gè)三槳葉的螺旋槳。經(jīng)過改良之后，不但透平尼亞號的動(dòng)力得到了充分保證，而且其螺旋槳的轉(zhuǎn)速也得到了有效控制，避免了空化現(xiàn)象的發(fā)生及危害。

圖3 透平尼亞號改進(jìn)后的螺旋槳分布圖（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

1896年12月，改進(jìn)后的透平尼亞號再次試航，航行速度達(dá)到29.6節(jié)，與首航相比航速得到了大幅度提升，已十分接近設(shè)計(jì)航速。1897年6月26日，經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)之后，透平尼亞號在慶祝英國維多利亞女王登基60周年的閱艦式上亮相，其航行速度高達(dá)34.5節(jié)，一躍成為當(dāng)時(shí)世界上最快的船舶。

透平尼亞號的成功試航有力地推動(dòng)了航海業(yè)的發(fā)展。此后，無論是商業(yè)船舶還是軍用戰(zhàn)艦均大規(guī)模地采用蒸汽輪機(jī)作為推進(jìn)動(dòng)力。例如，英國皇家海軍使用蒸汽輪機(jī)作為動(dòng)力裝置建造了世界上第一艘渦輪動(dòng)力戰(zhàn)艦，并逐漸在軍用船舶領(lǐng)域占據(jù)了優(yōu)勢地位。鑒于透平尼亞號在船舶科技史上的重要意義，其退役后被作為展覽品陳列于博物館中。

4 后世影響

透平尼亞號的試航及帕森斯的空化研究對船舶領(lǐng)域有著極為深刻的影響，主要反映在以下幾個(gè)方面。

（1）透平尼亞號的首航失利開啟了空化現(xiàn)象研究的新篇章。鑒于透平尼亞號極高的知名度及其在船舶推進(jìn)領(lǐng)域的里程碑地位，空化現(xiàn)象在后續(xù)的船舶及其相關(guān)的水動(dòng)力學(xué)的研究中獲得了高度的重視，延續(xù)至今。

（2）帕森斯所發(fā)明的水洞逐漸演變?yōu)檠芯靠栈F(xiàn)象的重要實(shí)驗(yàn)裝置。在后續(xù)的研究中，受帕森斯的啟發(fā)，各種尺寸、類型和用途的水洞在全世界遍地開花，極大地促進(jìn)了船舶推進(jìn)等領(lǐng)域空化現(xiàn)象的深入研究。

（3）透平尼亞號的研發(fā)故事不斷地激勵(lì)科學(xué)家們迎接新的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)船舶的高速推進(jìn)，高轉(zhuǎn)速螺旋槳的空化問題一直是船舶領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。此外，螺旋槳運(yùn)行過程中的噪聲控制對于提升水面船舶及潛艇等水下航行器的隱蔽性具有十分重要的意義，越來越受到重視。