早在1859年,W.H.贝赞特已经关注无界液体中空泡经受远方均匀压力变化引起的流动问题,瑞利在1917年给出了该问题的无黏流动解,用于解释空化剥蚀。M.S.普莱塞特于1954年给出了黏性不可压液体中球形空泡运动的动力学方程。瑞利-普莱塞特方程(R-P方程)的一般形式可写成:
这一方程的推导基于以下基本假定:黏性不可压液体,空泡内气体含量恒定,泡内气、汽均匀分布,其压力是蒸汽分压
与气体分压
之和,蒸汽分压是周围液体温度下的饱和蒸汽压,不计重力与气体惯性。
为球泡半径,液体密度
、动力黏度
和表面张力
为常数。环境压力
为已知函数,是调控空泡生长或溃灭的激励机制。忽略黏性与表面张力时,R-P方程右端后两项消失,退化为瑞利方程。
对于理想气体的多方过程,气体分压。
为近似常数,等温过程
,绝热过程
(绝热指数),
为初始时刻处于平衡状态的气泡半径。当
,
、
和其他常数给定时,此方程解的一般形式,给出气泡对于环境压力的响应特征,并反映了方程的强非线性。空泡生长过程一般相当平滑,并且泡的最大半径发生在最小压力出现之后。溃灭过程却完全不同,空泡界面速度与液体内压力峰值会急剧提高,空泡界面速度甚至可与水中声速同量级,需要考虑液体的压缩性。
在热效应显著情况下,将R-P方程中的气体分压表达为,求解需要给出
与
的关系。在恒定的环境压力下,由于温度的增加会引起饱和蒸汽压的提高,因而空化更容易发生。当环境温度接近液体相变的临界温度时,例如:低温流体在火箭引擎中运动的情况,热效应变得十分重要。由于蒸发需要热量,这些热量从空泡周围液体向液/汽界面传递,使得相变发生的温度低于环境液体温度(热力学滞后现象)。为了确定泡内温度,需要使用热力学平衡方程。常温环境下,水中空泡膨胀与溃灭过程的温度效应一般可以忽略,但空泡溃灭末期(微秒量级)由于泡内所含气体被高度压缩,导致泡内温度急剧上升至103℃的量级,对空泡内气体的热力学性质产生重要影响。