综述：低温空化：热力学工况、实验、数值建模及工程控制

《Cryogenics》：Cryogenic cavitation: Thermodynamic regimes, experiments, numerical Modeling, and engineering control

　　

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  综合了从气泡到泵在液氮 (LN2)、液氧 (LOX) 和液氢 (LH2) 中的低温空化现象。
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  利用热力学指标和时间尺度强调了状态转变。
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  连接了实验、诊断、建模和工程控制。
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  通过闭合项、湍流处理、验证和适用性比较模型。
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  确定了数据集、瞬态、跨流体验证和闭合项中的优先事项。

引言

液氮 (LN?)、液氧 (LOX) 和液氢 (LH?) 等低温液体中的空化现象是现代能源和推进系统中关键的流热物理现象。低温泵广泛应用于液体火箭发动机和液化天然气 (LNG) 基础设施中，在这些系统中，空化会显著降低水力性能，引发流动不稳定性，并损害运行可靠性 [1], [2]。特别是，火箭发动机中的涡轮泵诱导轮在极端低温条件下运行，必须耐受空化而不引发过度振动、扬程崩溃或效率损失 [1]。除泵外，空化也常发生于低温流控部件（如阀门）[3]。在输送 LN?或 LNG 的蝶阀和球阀中，蒸气的形成和崩溃可能导致侵蚀、振动和声发射，从而威胁火箭推进系统和工业低温回路的安全稳定运行 [3], [4]。

由于相变与热效应之间的强耦合，低温空化与室温液体中的空化存在根本差异。在低温下，液体对热高度敏感：即使是微小的压力降低也能引发沸腾，同时蒸发会吸收潜热并冷却周围液体。这种温度降低部分抑制了进一步的气相生长，这种现象通常被称为热力学效应，通常导致与室温空化相比更小的空腔体积 [5], [6]。实验研究表明，在可比的水动力学条件下，液氮中的空化产生的蒸气显著较少，且侵蚀强度比水空化弱得多 [5], [7]。这种热阻尼从根本上改变了空腔动力学，这意味着为水开发的常规空化关联式不能直接应用于低温流体。

尽管最近的几篇综述已经总结了低温空化，但它们留下了未解决的差距，这证明了新的综合是必要的。Wei 等人 [8] 对低温流体中的空化提供了广泛的批判性综述，Petersen 等人 [9] 从低温池沸腾和空化的更广泛视角讨论了相变建模，Cui 等人 [10] 强调了低温空化实验表征和数值建模的最新进展。然而，仍有三个问题未得到充分解决。首先，热力学效应大多仍进行定性讨论，缺乏基于可测量的状态指标或特征时间尺度的统一比较。其次，实验、模型和工程控制策略通常被平行综述，而不是通过温度降低、空腔长度、主频率或侵蚀强度等共同可观测量联系起来。第三，尽管低温空化数据的诊断基础——高速可视化、动态压力测量、温度采集及相关不确定性——对于模型验证和比例放大至关重要，但很少被明确综合。

因此，本文撰写为一篇具有结构化证据选择的透明叙述性综述，而不是正式的荟萃分析。使用关键词低温空化、热力学效应、液氮、液氧、液氢、甲烷、喷嘴、文丘里管、孔板、阀门、诱导轮、泵、气泡动力学、熵产、状态方程、真实流体性质、均匀弛豫模型、亚稳态和大涡模拟的组合筛选了截至 2026 年 6 月发表的文献。当原始研究报告了低温流体或热类比空化流中实验观察到的、理论推导的或数值验证的空化行为时，将其保留为核心证据。没有空化的纯沸腾研究、没有热力学相关性的室温研究以及缺乏可识别方法或结果的论文未用于核心比较综合。选定的文献随后被组织成四个相互关联的方向：控制物理、实验和诊断、数值建模以及工程控制。

相对于现有综述 [8], [9], [10]，本文的贡献有四个方面。它 (i) 利用惯性响应与热限制相变之间的竞争作为跨越气泡、喷嘴、阀门和泵尺度的主要比较框架；(ii) 增加了实验诊断和测量限制的明确综合；(iii) 通过物理闭合项、湍流处理、验证基础和适用范围比较数值方法；以及 (iv) 将工程缓解策略与热力学抑制、非稳态不稳定性和崩溃强度等潜在机制联系起来。在此基础上，第 2 节综述控制物理和状态转变模型，第 3 节总结实验和诊断，第 4 节评估数值建模和验证，第 5 节讨论工程应用和空化控制。

为了明确本文的定位，表 1 比较了最相关近期综述的范围、重点和未解决差距，以及本文采用的独特分析视角。

如表 1 所示，本综述的贡献不在于更广泛的覆盖范围本身，而在于对热力学状态解释、实验诊断、面向验证的模型比较和工程控制的更明确整合。在此基础上，图 1 总结了综述的整体框架，其余章节相应地组织。

章节摘要

理论研究

本节通过联系热力学敏感性、单气泡动力学和热修正空化模型与适用于工程流的广义相变框架，为低温空化建立理论基础。

实验研究

由于可视化困难、严格的安全要求以及对专用设施的需求，低温空化的实验研究具有挑战性。尽管如此，几项标志性实验为低温流体中的空化模式和动力学提供了深入见解。

数值建模与验证

低温空化的数值建模已从热力学修正传输模型发展到均匀热流求解器、可压缩空化公式、弛豫时间模型、基于熵的诊断、纯 LES、混合湍流解析模拟和高保真界面解析计算。然而，这些方法不应仅通过被模拟的组件进行比较。关键比较必须区分五个问题：真实流体

工程缓解策略与设计启示

低温空化的工程缓解应按控制机制而非组件类型进行讨论。在综述的文献中，出现了四个反复出现的杠杆：入口热力学状态管理、基于几何的局部压降重新分布、将空化限制在坚固的辅助组件中，以及提高材料侧损伤耐受性。表 5 比较了代表性策略的机制、量化效益、权衡和最佳用途

结论与展望

综合上述综述的证据，本最后一节首先澄清本综述的局限性，然后综合主要的跨尺度结论，最后强调未来研究的优先方向。

CRediT 作者贡献声明

Yiliang Li: 调查，数据整理。Min Chai: 形式分析。Qing Huang: 方法论。Shuihua Zheng: 概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

Yiliang Li|Min Chai|Qing Huang|Shuihua Zheng