穴蝕現象探討與說明楊昇學博士

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  發刊期數:第0184期/ 發布日期:2016/07/22

圖1大壩溢洪道受穴蝕現象導致損壞_pic

一、前言

在臺灣大型水庫安全評估項目中,都會去對溢洪道、水力渦輪發電機壓力鋼管或輸水管線進行穴蝕評估,常見的結論是沒有穴蝕發生或輕描淡寫不去探討。而在大學的流體力學教科書中有提到穴蝕現象,且很少對穴蝕現象進行物理探討,僅用穴蝕公式帶過,而未探討如何發生穴蝕。在大工程的溢洪道中設置集氣槽溝來降地穴蝕所產生的危害或將排洪過程中夾雜在水中的氣體由此溝排出。此外,船艦上之螺槳亦受穴蝕氣泡破裂產生危害。因此,本文將就穴蝕現象進行深入淺出的探討與說明,瞭解穴蝕氣泡的產生與氣泡破裂對固體邊界破壞進行說明


二、穴蝕氣泡的形成

液態流體運動時,若因流體速度增加、流場壓力降低至當時環境溫度下流體之水蒸氣壓附近時,則會於流體中產生穴蝕氣泡(cavitation bubble)。穴蝕氣泡產生後,隨著周邊的速度場與壓力場變化,可能導致蝕氣泡破裂。若氣泡破裂發生於固體邊界附近,受壓破裂的氣泡將能直接衝擊固體邊界,產生巨大的水錘壓力(Plesset and Chapman, 1971)。此破裂過程所產生之震波(shock wave)可能衝擊、甚至破壞固體表面。於土木水利工程上,穴蝕現象經常出現大之溢(排)洪道損壞,如圖1所示、水利發電機組之壓力管路、壓力隧道、水輪機的損壞,如圖2所示;管路中的液體輸送、幫浦、渦輪損壞,如圖3所示;及於船艦上之螺槳損壞,如圖4所示,固體邊界損壞後不僅會影響流體與固體邊界之構造或機械的運作效率,更可能會造成管路、隧道、固體邊界、溢(排)洪道水輪機及相關機械的嚴重損害。這些液體中的微小穴蝕氣泡,可能導致結構物表面的嚴重損毀,確實引發了人們的好奇,也因此陸續有人投入了穴蝕氣泡破裂之物理特性研究。


  • Cavitation damage on Karun dam, Iran
    圖1大溢洪道穴蝕現象導致損壞
  • Arizona spillway at the Hoover Dam Warnock (1945)
    圖2大壓力管路受穴蝕現象而損壞
  • 圖3 液體輸送幫浦固體表面損壞
    Soyama, Kato and Oba (1992)
  • 圖3 液體輸送幫浦固體表面損壞
    Soyama, Kato and Oba (1992)
  • 圖4螺槳固體表面損壞
  • 圖4螺槳固體表面損壞

三、穴蝕產生之物理成因

穴蝕現象主要因流體與固體材料之間的複雜變化所產生一系列侵蝕結果,主要包含三階段:

  1. 1.汽化階段:

    如圖4左圖所示,在流動的液體中,局部區域的壓力因某種原因(如速度、溫度、共振)而下降至與該區域液體溫度下之蒸汽壓力以下時,可能產出穴蝕氣泡(25℃蒸汽壓力約3.1kPa,1atm=101.4kPa)。

  2. 2.氣泡破裂階段:

    如圖5所示,穴蝕氣泡因周邊壓力較高時,失去存在的條件而突然破裂,使氣泡周圍的液體壓力、溫度驟增。

  3. 3.侵蝕階段:

    如果氣泡出現在固體邊界附近,壁面就會遭受巨大壓力沖擊,從而引起材料的疲勞破損甚至表面剝蝕。上述過程簡稱穴蝕現象(土木水利領域)、空蝕現象(機械領域)、汽蝕現象(材料領域)。


  • 圖5穴蝕氣泡產生與破裂過程(The framing rate is 75,000 frames/s, maximum radius is 2 mm. Lauterborn et al. 2007)

四、穴蝕氣泡破裂階段物理現象

穴蝕氣泡在破裂過程計有:噴流(jet flow)、逆向噴流(counter jet)、噴濺 (splash)、壓力震波(shock wave)、發光(luminescence)、氣泡核融合(bubble fusion)等現象出現,概述如下:

  1. 1.噴流:

    如圖6所示,氣泡表面開始受到壓力波之影響至使氣泡內凹陷變形。氣泡內凹的同時,液體往氣泡內凹發展之方向移動,並填充液體於氣泡中心軸而形成液體噴流,且壓力往中心軸集中,並累積能量於氣泡內,從而使氣泡表面接觸、重疊。當累積足夠能量後,繼續往前推進,突破重疊後的氣泡表面,形成噴流,最後使氣泡破裂。若氣泡在固體邊界附近破裂時,噴流會直接衝擊固體邊界。

    • 圖6穴蝕氣泡產生噴流現象(The framing rate is 4000 frames/s)
  2. 2.逆向噴流:

    如圖7與圖8所示,若氣泡位於固體邊界某一距離範圍內時,氣泡破裂時可能會產生逆向噴流。而逆向噴流的形成與增長非常快速,但形成後則可持續一段時間,可延長氣泡破裂時間,繼而延長壓力震波時間。

    • 圖7穴蝕氣泡產生逆向噴流現象Lindau and Lauterborn (2003) Interframe time 1 μs
    • 圖8穴蝕氣泡產生逆向噴流現象Yang et al. (2009) The framing rate is 4000 frames/s
  3. 3.噴濺:

    如圖9所示,液體噴流衝擊氣泡與壁面之間的液體層後,形成環狀噴濺,此噴濺產生的壓力會對壁面產生相當程度的影響。此噴濺作用由 Shaw et al.(2001)的實驗獲得證實。

    • 圖9穴蝕氣泡產生噴濺現象Yang et al. (2009) The framing rate is 4000 frames/s
  4. 4.壓力震波:

    如圖10所示,Vogel and Lauterborn (1988)發現氣泡破裂之壓力脈衝波與氣泡距離固體邊界的大小有密切關係,且此脈衝波會產生一系列的震波。Sankin et al. (2005)利用高速攝影機與投影技術結合於影像中顯現。在氣泡破裂局部區域產生震波強度高達39MPa (約380 大氣壓力) 。

    • 圖10穴蝕氣泡破裂過程之壓力震波觀測(Interframe time 0.5 μs)
  5. 5.發光:

    如圖11所示Flannigan and Suslick (2005)的實驗顯示,氣泡破裂時內部溫度大約在20,000K左右,此溫度已可將鐵融化。但氣泡釋放出來的亮光持續時間相當短暫,約在35至數百皮秒(picoseconds, 10-12 秒)之間。

    • 圖11穴蝕氣泡破裂過程之發光現象觀測
    • 圖11穴蝕氣泡破裂過程之發光現象觀測
  6. 6.氣泡核融合:

    既然穴蝕氣泡內部可能處於如此高溫、高壓下,科學家認為如果氣泡內的溫度和壓力都夠高的情況下,那在太陽和其他大型星體中發生的核融合效應,就可以在如此微小的氣泡中發生。這種現象被稱為氣泡核融合。而此現象亦在近幾年內被討論,如“如何向氣泡要能源”,Taleyarkhan et al. (2004)、 Flannigan & Suslick (2005)等研究團隊分別於Science、 Nature期刊上發表氣泡核融合現象。

五、結論

穴蝕氣泡運動與破裂研究,如噴流、逆向噴流、噴濺、壓力震波、發光、氣泡核融合等現象,於氣泡破裂時出現,且於氣泡內產生壓力或溫度劇變現象、均令人難以置信,但卻都存在真實情況中。至於是何種現象造成固體材料界面的破壞,則尚未有定論,因各種物理現象都有可能單一或組合型態出現在破壞固體材料界面上。

參考文獻

1.Flannigan, D. J. and Suslick, K. S. (2005), “Plasma formation and temperature measurement during single-bubble cavitation”, Nature, 434, 52 -55.

2.Plesset, M. S. and Chapman, R. B. (1971), “Collapse of an initially spherical vapour cavity in the neighbourhood of a solid boundary”, Journal of Fluid Mechanics, 47, 283-290.

3.Lauterborn, W., Kurz, T. Geisler, R., Schanz D., and Lindau, O. (2007), “Acoustic cavitation, bubble dynamics and sonoluminescence”, Ultrasonics Sonochemistry, 14, 484- 491.

4.Lindau, O. and Lauterborn, W. (2003), “Cinematographic observation of the collapse and rebound of a laser-produced cavitation bubble near a wall”, Journal of Fluid Mechanics, 479, 327-348.

5.Sankin, G. N., Simmons, W. N., Zhu, S. L., and Zhong, P. (2005), “Shock wave interaction with laser-generated single bubbles”, Physical Review Letters, 034501-4.

6.Taleyarkhan, R. P., Cho, J. S., West ,C. D. Lahey, Jr. R. T., Nigmatulin, R. I., and Block, R. C. (2004), “Additional evidence of nuclear emissions during acoustic cavitation”, Physical Review Letters, 68, 036109-11.

7.Vogel, A. and Lauterborn, W. (1988), “Time-resolved particle image velocimetry used in the investigation of cavitation bubble dynamics”, Applied Optics, 29, 1869-1876.

8.Yang, S. H., Jaw S. Y. and Yeh, K. C. (2009), “Single cavitation bubble generation and observation of the bubble collapse flow induced by a pressure wave”, Experiments in Fluids, 47, 343-355.


作者簡介

 楊昇學博士
國立交通大學土木工程研究所碩士 / 國立交通大學土木工程研究所博士 / 國立交通大學防災與水環境研究中心博士後研究 / 國立交通大學防災與水環境研究中心助理研究員
 

研究領域

水利工程、河川防災預警、質點影像測速法、穴蝕研究

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