第1章緒論

1.1空化的概念

1.1.1沸騰、汽化與空化

1.1.2空化的定義及內涵

1.1.3空蝕的定義

1.2空化研究的歷史

1.2.1早期的空化研究

1.2.220世紀以來的空化研究

1.3空化的危害

1.3.1水力機械的性能下降

1.3.2流道壁面材料的剝蝕破壞

1.4空化的應用

1.4.1空化減阻

1.4.2空化在生物醫療領域的應用

1.4.3空化在其他領域的應用

參考文獻

第2章空化數、空化核及空化類型

2.1空化數

2.1.1空化數的物理意義

2.1.2壓力繫數與空化數

2.1.3空化數的應用

2.1.4空化的尺度效應

2.2液體中的空化核

2.2.1空化核與空化

2.2.2空化核模型

2.2.3空化核譜

2.2.4空化核的尺度效應

2.3空化的分類

2.3.1空化的分類方法

2.3.2遊移型空化

2.3.3固定型空化

2.3.4漩渦型空化

2.3.5振蕩型空化

2.4空化的歷程

2.4.1初生空化階段

2.4.2空化發展階段

2.4.3空化潰滅階段

參考文獻

第3章空泡動力學基礎

3.1靜力平衡的球形空泡

3.1.1靜止液體中單空泡的平衡

3.1.2單空泡靜力平衡時所受的壓力

3.1.3空泡的等溫變化

3.1.4空泡的絕熱變化

3.1.5空泡按理想氣體狀態方程變化

3.2瑞利方程

3.2.1空泡運動的速度勢函數

3.2.2空泡壁面處液體運動的拉格朗日積分式

3.2.3瑞利方程的變換形式

3.3純汽泡的運動特性

3.3.1純汽泡的泡壁運動方程

3.3.2純汽泡的突然膨脹過程

3.3.3純汽泡的突然壓縮過程

3.4純氣泡的絕熱膨脹與壓縮

3.4.1純氣泡的一般運動方程

3.4.2純氣泡的絕熱膨脹

3.4.3純氣泡的絕熱壓縮

3.5純氣泡的等溫膨脹與壓縮

3.5.1純氣泡運動的速度與加速度

3.5.2純氣泡的等溫膨脹

3.5.3純氣泡的等溫壓縮

3.6復合空泡的運動特性

3.6.1復合空泡的絕熱壓縮

3.6.2復合空泡的等溫壓縮

3.7液體物性對空泡的影響

3.7.1液體的黏性

3.7.2液體的表面張力

3.7.3液體的可壓縮性

3.8流場特性對空泡的影響

3.8.1變化的壓力場

3.8.2壓強梯度

參考文獻

第4章初生空化

4.1概述

4.1.1空化的三要素

4.1.2初生空化數的理論值

4.1.3初生空化數的不確定性

4.2空化的尺度效應

4.2.1空化尺度效應的現像

4.2.2空化的模擬公式

4.3初生空化的主要影響因素

4.3.1壁面粗糙度

4.3.2壁面的浸潤性

4.3.3含氣量及空化核分布

4.3.4雷諾數

4.4其他因素對初生空化的影響

4.4.1聚合物

4.4.2固形物含量

4.5初生空化和空化發展對流場的影響

4.5.1水動力學性能

4.5.2空化誘發噪聲

參考文獻

第5章空化試驗的設備和方法

5.1空化試驗的類型和原則

5.1.1原型觀測

5.1.2應用型試驗

5.1.3基礎型試驗

5.2空化試驗設備

5.2.1空化試驗設備的功能

5.2.2專用空化試驗設備

5.2.3通用空化試驗設備

5.2.4通用空化水洞的主要性能及測試方法

5.3空化試驗的主要內容

5.3.1空化起始觀測

5.3.2空化宏觀形態觀測

5.3.3非定常空化觀測

5.3.4來流空化核測量

5.3.5空化內部結構測量

5.3.6空化流場測量

參考文獻

第6章繞水翼空化流動

6.1概述

6.1.1研究水翼空化的意義

6.1.2水翼的物理參數

6.2繞二維水翼的空化流動

6.2.1典型空化形態

6.2.2空化演化過程

6.2.3空化的演化規律

6.3繞三維水翼的空化流動

6.3.1繞三維水翼空化流動現像

6.3.2繞三維水翼空化流動機理

6.4水翼空化流場的演變特性

6.4.1空化對水翼尾流的影響

6.4.2空泡與漩渦的相互作用

6.4.3空化誘導的壓力脈動 

參考文獻

第7章空蝕及其影響因素

7.1空蝕機理

7.1.1空泡的潰滅

7.1.2空泡潰滅時的衝擊波

7.1.3空泡潰滅時的微射流

7.1.4機械作用理論

7.2空蝕強度

7.2.1空蝕的點坑

7.2.2空蝕強度的表示方法

7.3空蝕的影響因素

7.3.1液體的物理性質

7.3.2試驗流速

7.3.3流道壁面的性質

7.3.4試驗時間

7.3.5其他影響因素

7.4空蝕試驗方法

7.4.1振動型空蝕試驗

7.4.2射流型空蝕試驗

7.4.3高速水洞空蝕試驗

7.5材料的抗空蝕性能

7.5.1空化流動潛在的侵蝕能力

7.5.2材料的抗空蝕能力

7.5.3材料的抗空蝕指標

參考文獻

第8章空化流動數值模擬與分析

8.1氣液兩相流概述

8.1.1相的概念

8.1.2氣液兩相流

8.2基於均質平衡流假設的水動力學空化控制方程

8.2.1基於正壓流體狀態方程的空化模型

8.2.2基於質量輸運方程的空化模型

8.2.3空化熱效應的模擬模型

8.2.4多組分空化模擬方法

8.3非定常空化湍流模擬

8.3.1密度修正的濾波器模型

8.3.2動態PANS方法

8.4非定常空化中的渦分析

8.4.1歐拉擬序結構

8.4.2拉格朗日擬序結構

參考文獻

第9章水力機械的空化

9.1水力機械的空化現像

9.1.1常見空化類型

9.1.2水力機械的典型空化狀態

9.2水力機械空化的尺度效應

9.2.1空化尺度效應的現像

9.2.2空化現像的模擬

9.2.3水力機械空化模擬

9.3反擊式水輪機的空化特性

9.3.1水輪機空化繫數

9.3.2水輪機的吸出高程

9.4葉片泵的空化特性

9.4.1葉片泵的空化餘量

9.4.2泵的允許吸上高度

9.5水輪機與葉片泵的空蝕

9.5.1水輪機的空蝕

9.5.2葉片泵的空蝕

9.6運行條件對水力機械空蝕的影響

9.6.1水力機械的空蝕強度

9.6.2空蝕損壞量的測定與計算

9.6.3空蝕強度的影響因素

參考文獻

第10章螺旋槳的空化

10.1螺旋槳概述

10.1.1螺旋槳幾何形狀

10.1.2螺旋槳性能參數

10.2螺旋槳典型空化現像

10.2.1空化與螺旋槳性能

10.2.2螺旋槳典型空化形態

10.3非均勻來流下的螺旋槳空化

10.3.1尾流場中的螺旋槳空化

10.3.2空化流場中的螺旋槳壓力脈動

10.3.3螺旋槳壓力脈動激增機理

10.4螺旋槳空化的防治

10.4.1螺旋槳優化

10.4.2其他防治措施

參考文獻

本書主要是為動力工程及工程熱物理一級學科的研究生學位課“空化基礎理論及應用”而編寫的，也可以作為本學科及其他學科高年級本科生和研究生進行相關課程學習、課外拓展研究的參考教材。
本書主要涉及水動力學空化相關的內容。空化作為水動力學的一個分支，近年來吸引了國內外很多研究者的強烈興趣，已經成為很熱門的研究方向。在我國現代化發展過程中，空化研究具有非常重要的意義。空化現像可謂無處不在，涵蓋了天上（火箭發動機液體燃料泵）、水下（船舶及水下兵器）和地面（水輪機、泵、閥）所有的空間範圍，涉及能源、水利、交通、化工、市政、生物、醫療等諸多行業。因此，作為未來社會發展中堅力量的研究生，尤其是有志於從事相關研究工作的研究生，通過課程學習掌握空化基礎理論及相應的分析方法是非常必要的。
盡管目前空化屬於熱門話題，與20年前相比從事研究的人數增加了很多，每年發表的論文數量也很可觀，但空化研究仍然處於不斷發展之中，其中許多概念和方法還需要深入探討，研究內容也需要不斷拓展。本書在編寫過程中，一方面將一些相對確定的概念、方法及流動機理呈現給讀者，另一方面盡可能將一些目前科研工作者關心的問題及當前獲得的研究成果進行適當的敘述，以期對我國研究者在空化研究的重要方向上取得新的進展提供參考，從而使得我國空化基礎研究與工程應用不斷深化。
本書是在清華大學研究生課程“空化、磨損及兩相流”“空化基礎理論及應用”授課講稿的基礎上編寫的，同時也參考了國內外相關學術專著、論文等，主要論述了空化與空蝕的基本概念、空泡動力學基礎、空化與空蝕的試驗方法、繞水翼及常見水力旋轉機械（泵、水輪機、螺旋槳）的空化現像、非定常空化流動數值模擬及水動力性能預測方法、避免或緩解空化危害的優化設計及運行措施等。
本書在編寫過程中，主要考慮了研究型大學高層次人纔培養對學位課程的要求。為了適應創新人纔的培養，課程教學不能拘泥於傳授已有的知識，更重要的目標是通過課程學習，使學生能夠獲得拓展學習、應用知識和主動實踐的能力。因此，本書在空化相關的概念、方法和原理方面不遺餘力地重點敘述，力求表達清晰、確切； 在教材內容組織方面，注重將空化原理、研究方法與實際問題進行有機結合，並通過實例進行簡要分析； 為使讀者對空化研究前沿研究有一定了解，適當列舉了目前空化相關的研究熱點。由於本書篇幅有限，對於研究實例涉及的具體內容不能詳細羅列，讀者可根據每一章結尾對應的參考文獻有選擇地進行研讀。因此，在課程教學過程中，教師可以根據不同學科或者授課對像的需求選擇相應的章節進行講授，當然也可以在授課中進行必要的補充。
全書共10章，其中，第1、3、4章由羅先武編寫，第2、5章由彭曉星編寫，第6、8、10章由季斌、羅先武編寫，第7、9章由劉德民、羅先武編寫，全書由羅先武統稿。
承蒙中國工程院院士吳有生研究員在百忙之中，撥冗作序，不勝感激。
由於編者水平有限，謬誤和疏漏在所難免，懇請讀者不吝批評指正。
編者
2020年3月於清華園