Кавітація
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Кавітація

Кавітація (від латів.(латинський) cavitas — порожнеча), освіта в краплинній рідині порожнин, заповнених газом, парою або їх сумішшю (так званих бульбашок кавітацій, або каверн). Бульбашки кавітацій утворюються в тих місцях, де тиск в рідині стає нижчим за деяке критичне значення p kp (у реальній рідині p kp приблизно рівний тиску насиченої пари цієї рідини при даній температурі). Якщо пониження тиску відбувається унаслідок великих місцевих швидкостей в потоці рухомої краплинної рідини. то До. називають гідродинамічною. а якщо унаслідок проходження акустичних хвиль — акустичною.

загрузка...

  Гідродинамічна кавітація. Оскільки в реальній рідині завжди присутні найдрібніші бульбашки газу або пари, то, рухаючись з потоком і потрапляючи в область тиску р < р кр , вони втрачають стійкість і набувають здібності до необмеженого зростання ( мал. 1 ). Після переходу в зону підвищеного тиску і вичерпання кінетичної енергії рідини, що розширюється, зростання бульбашки припиняється і він починає скорочуватися. Якщо бульбашка містить досить багато газу, то після досягнення ним мінімального радіусу він відновлюється і здійснює декількох циклів затухаючих коливань, а якщо газу мало, то бульбашка закривається повністю в першому періоді життя. Т. о., поблизу обтічного тіла (наприклад, в трубі з місцевим звуженням, мал. 2 ) створюється досить чітко обмежена «зона кавітації», заповнена рухомими бульбашками.

  Скорочення бульбашки кавітації відбувається з великою швидкістю і супроводиться звуковим імпульсом (свого роду гідравлічним ударом ) тим більше сильним, чим менше газу містить бульбашку. Якщо міра розвитку До. така, що у випадкові моменти часу виникає і закривається безліч бульбашок, те явище супроводиться сильним шумом з суцільним спектром від декількох сотень гц до сотень і тисяч кгц. Якщо каверна кавітації замикається поблизу від обтічного тіла, то удари, що багато разів повторюються, приводять до руйнування (до так званої ерозії кавітації) поверхні обтічного тіла (лопатей гідротурбін грібних гвинтів кораблів і ін. гідротехнічних пристроїв, мал. 3 і 4 ).

  Якби рідина була ідеально однорідною, а поверхня твердого тіла, з яким вона граничить, ідеально змочуваною, то розрив відбувався б при тиску, значно нижчому, ніж тиск насиченої пари рідини. Міцність на розрив води, обчислена при обліку теплових флуктуацій, рівна 150 Мн/м 2 (1500 кг/см 2 ) . Реальні рідини менш міцні. Максимальне розтягування ретельно очищеної води, досягнуте при розтягуванні води при 10 °С, складає 28 Мн/м 2 (280 кг/см 2 ) . Зазвичай же розрив виникає при тиску, лише трохи меншому тиск насиченої пари. Низька міцність реальних рідин пов'язана з наявністю в них так званих зародків кавітацій: погано змочуваних ділянок твердого тіла, твердих часток з тріщинами, заповненими газом, мікроскопічних газових бульбашок, що оберігаються від розчинення мономолекулярними органічними оболонками, іонних утворень, що виникають під дією космічних променів.

  При даній формі обтічного тіла До. виникає при деякому, сповна визначеному для даної точки потоку, значенні безрозмірного параметра

  де р — гідростатичний тиск набігаючого потоку, р н тиск насиченої пари, r — щільність рідини, u ¥ швидкість рідини на достатньому віддаленні від тіла. Цей параметр називають «числом кавітації», служить одним з критеріїв подібності при моделюванні гідродинамічних течій. Збільшення швидкості потоку після початку До. викликає швидке зростання числа бульбашок кавітацій, услід за чим відбувається їх об'єднання в загальну каверну кавітації, потім течія переходить в струминне (див. Струмінь ) . При цьому течію зберігає нестаціонарний характер лише в області замикання каверни. Особливо швидко струминна течія організовується в разі поганий обтічних тіл.

  Якщо всередину каверни, через тіло, біля якого виникає До., підвести атмосферне повітря або інший газ, то розміри каверни збільшуються. При цьому встановиться течія, яка відповідатиме числу кавітації, утвореному вже не по тиску водяної пари р, що насичує, н , а по тиску газу усередині каверни p до , т . е. . Спливання такої каверни кавітації визначатиметься т.з. числом Фруда , де g — прискорення сили тяжіння, а d — деякий характерний лінійний розмір. Оскільки p до може бути багато більше р н , те в таких умовах можливо при малих швидкостях набігаючого потоку отримувати течії, відповідні дуже низьким значенням з, тобто глибоким мірам розвитку До. Так, при русі тіла у воді із швидкістю 6—10 м/сек можна отримати його обтікання, відповідне швидкостям до 100 м/сек. течії Кавітацій, що виходять в результаті підведення газу всередину каверни, називають штучною До.

  Гідродинамічна До. може супроводитися рядом физико-хімічних ефектів, наприклад іськрообразованієм і люмінесценцією. У ряді робіт виявлений вплив електричного струму і магнітного поля на До., що виникає при обтіканні циліндра в гідродинамічній трубі.

  Дослідження До. і боротьба з нею мають велике значення, оскільки До. робить шкідливий вплив на роботу гідротурбін, рідинних насосів, грібних гвинтів кораблів, підводних звуковипромінювачів, рідинних систем висотних літаків і так далі, знижує коефіцієнт корисної дії і приводить до руйнувань. До. може бути зменшена при збільшенні гідростатичного тиску, наприклад приміщенням пристрою на достатній глибині по відношенню до вільної поверхні рідини, а також підбором відповідних форм елементів конструкції, при яких шкідливий вплив До. зменшується. Для зменшення ерозії лопаті робочих коліс виготовляють з неіржавіючих сталей і шліфують.

  Експериментальні дослідження До. виробляються в так званих трубах кавітацій, що є звичайними гідродинамічними трубами, обладнаними системою регулюваннями статичного тиску.

  Літ.: Корнфельд М., Пружність і міцність рідин, М. — Л., 1951; Біркгоф Г., Сарантонелло Е., Струмені, сліди і каверни, пер.(переведення) з англ.(англійський), М. 1964: Перник А. Д., Проблеми кавітації, 2 видавництва, Л., 1966; Ошеровський С. Х., Кавітація в генераторах, «Енергетика і електрифікація», 1970 № 1.

  А. Д. Перник.

  Акустична кавітація. При випромінюванні в рідину звуку з амплітудою звукового тиску, що перевершує деяку порогову величину, під час напівперіодів розрідження виникають бульбашки кавітацій на так званих зародках кавітацій, якими частіше всього є газові включення, що містяться в рідині і на поверхні акустичного випромінювача, що коливається. Тому поріг кавітації підвищується у міру зниження вмісту газу в рідині, при збільшенні гідростатичного тиску, після обтискання рідини високим (порядку 10 3 кгс/см 2 @ 10 2 Мн/м 2 ) гідростатичним тиском і при охолоджуванні рідини, а крім того, при збільшенні частоти звуку і при скороченні тривалості озвучування. Поріг вище для тієї, що біжить, чим для стоячої хвилі. Бульбашки закриваються під час напівперіодів стискування, створюючи короткочасні (порядку 10 -6 сік ) імпульси тиск (до 10 3 Мн/м 2 @ 10 4 кгс/см 2 і більш), здатний зруйнувати навіть вельми міцні матеріали. Таке руйнування спостерігається на поверхні потужних акустичних випромінювачів що працюють в рідині. Тиск при закритті бульбашок кавітацій підвищується при зниженні частоти звуку і при підвищенні гідростатичного тиску; воно вище в рідинах з малим тиском насиченої пари. Закриття бульбашок супроводиться адіабатичним нагрівом газу в бульбашках до температури порядку 10 4 °С, чим, мабуть, і викликається свічення бульбашок при До. (т.з. звуколюмінесценція). До. супроводиться іонізацією газу в бульбашках. Бульбашки кавітацій групуються, утворюючи область кавітації складної і мінливої форми. Інтенсивність До. зручно оцінювати по руйнуванню тонкої алюмінієвої фольги, в якій кавітірующие бульбашки пробивають отвори. По кількості і розташуванню цих отворів, що виникають за певний час, можна судити про інтенсивність До. і конфігурації області кавітації.

  Якщо рідина насищена газом, то газ дифундує в бульбашки і повного закриття їх не відбувається. Спливаючи, такі бульбашки відносять газ і зменшують вміст газу в рідині. Інтенсивні коливання газонаповнених бульбашок як у вільній рідині, так і поблизу поверхні твердих тіл створюють мікропотоки рідини.

  Поява До. обмежує можливість подальшого підвищення інтенсивності звуку, що випромінюється в рідину, унаслідок зменшення її хвилевого опору і відповідного зниження навантаження на випромінювач (див. Імпеданс акустичний ) . Акустична До. і пов'язані з нею фізичні явища викликають ряд ефектів. Частина з них, наприклад руйнування і диспергування твердих тіл, емульгування рідин, очищення поверхонь, деталей, зобов'язана своїм походженням ударам при закритті бульбашок і мікропотокам поблизу них. Інші ефекти (наприклад, ініціація і прискорення хімічних реакцій) пов'язані з іонізацією газу в бульбашках. Завдяки цим ефектам акустична До. все ширше використовується для створення нових і вдосконалення відомих технологічних процесів. Велике число практичних вживань ультразвука засновано на ефекті До.

  Акустична До. має велике значення в біології і медицині. Імпульси тиск, що виникає в бульбашках кавітацій обумовлюють миттєві розриви мікроорганізмів і простих, таких, що знаходяться у водному середовищі, що піддається дії ультразвука. До. використовують для виділення з тварин і рослинних кліток ферментів, гормонів і ін. біологічно активних речовин.

  Літ.: Бергман Л., Ультразвук і його вживання в науці і техніці, пер.(переведення) з йому.(німецький), М., 1956; Рой Н. А., Виникнення і протікання ультразвукової кавітації, «Акустичний журнал» 1957, т. 3, ст 1, с. 3; Сиротюк М. Р., Експериментальні дослідження ультразвукової кавітації, в кн.: Фізика і техніка потужного ультразвука, т, 2, М., 1968; Ультразвук в гідрометалургії, М., 1969.

  Н. А. Рой.

Мал. 1. Міхур кавітації на торцевій поверхні вібруючого стрижня (десятиразове збільшення).

Мал. 4. Всмоктуючий патрубок насоса, виконаний з чавуну, із слідами ерозії кавітації.

Мал. 2. Зона кавітації в трубці з місцевим звуженням.

Мал. 3. Ділянка зруйнованої поверхні грібного гвинта.