浙江大学张小斌教授团队：低温流体空化特性与机理

低温流体在许多工业和国防领域都有广泛应用，如液化天然气(LNG)及液氢等在能源利用、低温空分、空间推进中的应用等。然而，低温流体空化特性与机理是一个复杂且具有挑战性的研究课题。

空化

▲ Twist-11N水翼表面液氮和水空化周期内气泡发展过程

空化是指流场中局部压力低于相应温度下流体的饱和蒸气压导致液体气化，产生充满气体和蒸气的小泡的现象。空化广泛存在于泵、阀等流体机械中，泵的空化余量是现代离心泵设计和运行中必须考虑的参数。空化现象往往带来不利影响，如泵叶片振动、扬程急剧降低等。液氮、液氧和液氢等深低温流体往往饱和(或过冷度很小)保存，因此流动过程中更容易发生空化。相比于水等室温流体空化，液氧、液氮及液氢等低温流体的空化过程呈现显著的热效应。在航天领域，大推力低温液体火箭发动机需要采用低温泵将液体燃料(液氢和液氧)输送到工作压力非常高的燃烧室，空化是低温泵失效的主要原因。

以液氢、液氧为推进剂的大推力液体火箭推进系统中，低温流体空化是影响性能和可靠性的重要因素，低温流体空化引起的系统不稳定问题近年来已导致多起火箭发射失利或失败事故。我国登月、空间站建设和火星探测等重大任务的持续推进，对大推力低温液体火箭的可靠性提出了更高的要求，迫切需要研究人员和工程技术人员对低温流体空化的产生、发展和溃灭机理有一个更深入的理解和认识。同时，液氦等低温流体在低温散裂中子源、超导加速器、引力波探测器等超导装置中扮演着超低温冷却的关键角色，氢能更是未来全球范围内极其重要的清洁能源之一，这些低温流体在传输过程中发生的空化问题势必会对整个系统性能及稳定性产生消极影响，而准确的仿真技术是优化系统性能的关键手段，也是实现数字化设计的前提基础。因此，低温流体空化机理以及数值计算方法的研究对航空航天、国防以及民生领域都有非常重要的战略意义。

《低温流体空化特性与机理》（张小斌, 朱佳凯, 魏爱博著. 北京 : 科学出版社, 2025. 1）作者自2007 年从浙江大学制冷与低温研究所博士后出站留校工作后，开始从事低温流体空化的研究。本书是作者对这方面研究成果的总结，较为深入地展现了低温流体空化研究领域的最新进展和取得的成果。

本书详细介绍了单气泡动力学、低温流体气化数值模型以及低温可视化实验研究方法，通过与水空化对比，深入阐述了低温流体球形气泡的稳定性、热效应影响下的动力学以及热力学特性。在数值方面，阐述了空化模型、湍流模型、近壁面处理方法、密度修正方法以及气液可压缩性的数理模型和离散方法，深入揭示了液氢、液氧和液氮在钝头体、三维扭曲水翼等的空化脱落特性及机理。详细介绍了透明文氏管、水翼以及渐缩渐扩管中液氮空化流的测量方法和技术。最后给出了两个专题研究：空化诱导的低温阀门流致振动机理和超声诱导的低温主动空化机理。本书不仅填补了这一研究领域的空缺，而且为相关领域的研究提供了强有力的理论支持。

• 在理论方面，本书全面分析了低温工质球形单气泡在热效应影响下的动力学及热力学特征，这是理解低温流体空化的基础。

• 在数值计算方面，本书全面介绍了低温流体空化模拟框架的建立方法，其中凝练了作者对气液可压缩性、湍流、空化以及非平衡传热等物理影响因素的独到理解，深入揭示了液氢、液氧和液氮空化非稳态特性及机理，给低温流体空化研究人员和工程技术人员提供了宝贵的仿真经验。

• 在实验方面，本书总结了作者多年来在低温真空绝热、密封、测量以及可视化技术方面的经验，在国内率先开展了液氮非稳态空化可视化实验研究，积累了宝贵的第一手资料，为我国科研人员后续研究奠定了扎实的基础。

目前，国内外关于常温介质空化的书籍较多，但低温流体空化在热效应的影响下具有独特的特点，研究所需的低温测量技术有较高的门槛，因此系统性总结低温流体空化的专业书籍还比较缺乏，本书将给广大低温技术研究人员和应用人员带来福音。

总的来说，本书是一部具有很高价值的学术专著，它为我们提供了关于低温流体空化特性与机理的全面理解和深入探索。对于相关领域的科研人员、工程师和学生来说，这本书是不可或缺的参考书籍。

本书得到了国家自然科学基金(No. 50706042、No. 51276157)、浙江省杰出青年科学基金(No. LR15E060001)以及国家重点研发计划(No. 2022YF4B4002900)的支持。作者的同事浙江大学制冷与低温研究所的邱利民教授在空化研究过程中，在研究思想、具体方案以及实验技术等方面对作者给予了长期的指导、帮助，在此表示由衷的感谢。

本文摘编自《低温流体空化特性与机理》（张小斌, 朱佳凯, 魏爱博著. 北京 : 科学出版社, 2025. 1）一书“自序”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

(能源清洁低碳高效利用丛书)

责任编辑：范运年 王楠楠

本书可作为高等院校流体机械、低温工程及能源动力等专业的研究生阅读，也可供相关行业的技术人员参考。

（本文编辑：刘四旦）

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