01.液膜空化的原因

在高速運轉的機械密封端面之間，密封端面的微造型和變形導致流道的收縮和膨脹，容易在微間隙液膜中造成氣蝕。

02.液膜空化的定義

指在液體流場的低壓區形成蒸汽空化的過程。機械密封中的氣蝕包括氣相氣蝕和氣相氣蝕。有宏觀空化和微觀空化。當密封面上液膜的局部壓力下降到飽和蒸氣壓時，液體中的氣體核被釋放出來形成氣泡，這就是氣相空化；當液體本身部分汽化形成氣泡時，就是汽相空化。

03.液膜空化在機械密封中的應用現狀

氣蝕對機械密封的摩擦性能（或潤滑性能）和使用壽命有重要影響。國內外學者對機械密封的汽蝕現象進行了多年的實驗研究和理論探索，取得了有益的進展。然而，目前的機械密封理論分析計算和實際產品設計大多忽略了汽蝕現象。這種情況已經成為高性能機械密封實現新突破的障礙之一。氣泡的產生和破裂對液膜壓力的分布、承載能力和穩定性有很大影響。

04.空化和汽化的區別

空化是一種主要受局部壓力變化影響的物理現象。與液膜氣蝕不同，汽化是機械密封端面上的液膜由液相變為氣相的現象。它是沸騰和閃蒸共同作用的結果。

05、機械密封中汽蝕的形成過程：（宏觀汽蝕）

上圖為淺槽機械密封摩擦副端面示意圖。由于淺槽的開口，密封端面形成會聚區和擴散區。當液體從平臺區流向槽區時，流道收斂，壓力升高；當液體從平臺區流向槽區時，流道擴大，出現低壓區。當壓力下降到飽和蒸氣壓時，會發生局部液體汽化或溶解氣體的離解，從而引起空化甚至空化。

06.機械密封中汽蝕的形成過程：（微觀汽蝕）

由于機械密封間隙的流動是微米級的，當通道的特征尺寸與流體分子的平均自由形式有關，并且影響流動的各種力的相對重要性發生變化時，連續統假設不再適用。此外，微通道的表面粗糙度在常規尺度中由于其影響小而常被忽視，但在微尺度流動中具有不可忽略的影響。表面粗糙度常引起的微小擾動會影響整個主流區的流動，這也是機械密封微間隙液膜空化的主要原因。

上圖是用非接觸式光學輪廓儀測量摩擦副靜環表面得到的端面不規則表面粗糙度分布。密封面上的凹凸可以假定為準圓柱形。當液體流過密封端面時，在凹凸后面會形成一個低壓區，當壓力低于飽和壓力時會發生表面空化。此外，微尺度流動的尺度效應、表面張力、流體粘度等也會對微空化產生影響。

07.端面液膜空化對密封性能的影響

機械密封端面的非接觸主要取決于液膜的靜壓效應和動壓效應。相關研究表明，空化的存在使液膜不會因正負壓的抵消而失去承載能力。埃蒂森等人。認為氣蝕是端面開孔形成的重要原因。此外，由于液膜端面產生空化，可防止端面泄漏，減少端面摩擦，實現空化減阻。

但在高速條件下，會出現嚴重的氣蝕現象。當氣蝕達到一定程度時，端面失去開啟力，密封端面失去開啟力，甚至密封面失效。并且隨著氣蝕的發展和瓦解，密封面上也會出現氣蝕，從而破壞密封面。

上圖為 Tsunenori 等人。使用表面光度儀觀察被空化損壞的石墨表面，發現空化增加了表面粗糙度。