кавітації
утворення газових бульбашок в рідині. Термін був введений ок. 1894 британським інженером Р.Фрудом. Якщо тиск в будь-якій точці рідини стає рівним тиску насиченої пари цієї рідини, то рідина в цьому місці випаровується і утворюється паровий пухирець. Прикладом може служити кипіння води. При нагріванні води тиск її насиченої пари підвищується. Коли досягається температура кипіння, тиск пари стає рівним тиску навколишнього середовища, і в воді з'являються парові бульбашки. Парові бульбашки в рідині легше утворюються при зниженому тиску. Коли ж тиск навколишнього середовища стає більше тиску насиченої пари рідини, кавітаційний бульбашка з силою схлопивается. Таке схлопування бульбашок створює шум, викликає вібрацію і пошкодження конструкцій, несприятливо відбивається на роботі відповідних машин і механізмів. Місцеве пониження тиску в рідині відбувається при швидкому відносному русі тіла і рідини.
Закон Бернуллі. Відповідно до закону Бернуллі, в рідині без тертя енергія постійна уздовж лінії струму. Це можна виразити рівністю
де p - тиск, r - щільність, а v - швидкість. Індекси 0, 1 і 2 відносяться до будь-яких трьох точках на даній лінії струму. Із зазначеного рівності випливає, що при збільшенні швидкості знижується місцеве тиск (пропорційно квадрату швидкості). Будь-яка частка рідини, що рухається по викривленій лінії струму, наприклад, що обгинає профіль (рис. 1), прискорюється і зазнає зниження місцевого тиску. Якщо тиск знижується до тиску насиченої пари, то виникає кавітація. Такий механізм явища кавітації на підводних крилах, гребних гвинтах, лопатках турбін і лопатях насосів.
Мал. 1. КАРТИНА обтікання ПРОФІЛЮ і три точки на одній лінії струму. Швидкість максимальна, а тиск мінімально у верхній точці на профілі.
У разі рідини, що тече по трубі, відповідно до закону збереження маси (рівняння нерозривності), швидкість рідини збільшується в місцях звуження труби, де також можлива кавітація.
Кавітаційний коефіцієнт. Явище кавітації абсолютно однаково і для потоку, що обтікає нерухоме тіло, і для середовища, в якій рухається тіло. В обох випадках важливі лише відносна швидкість і абсолютне тиск. Співвідношення між тиском і швидкістю, при яких відбувається кавітація, дається безрозмірним критерієм s, який називається кавітаційним коефіцієнтом (числом кавітації) і визначається виразом
де pv - тиск насиченої пари рідини при даній температурі.
Типи кавітації. На рис. 2 представлена кавітація на нерухомому підводному крилі, знята в високошвидкісний гідродинамічної трубі. При певній швидкості течії води місцеве тиск у поверхні крила знижується до тиску водяної пари. На поверхні крила з'являються кавитационні каверни. Бульбашки ростуть, зміщуючись в напрямку течії. (Оскільки бульбашки утворюються біля поверхні крила, вони мають напівсферичну форму.) Такий тип кавітації називається нестаціонарної (збігає) бульбашкового кавитацией. Якщо на поверхні є який-небудь виступ, то бульбашки концентруються на ньому. Така стаціонарна кавітація теж показана на рис. 2.
Мал. 2. кавітації на підводних крилах. Збігає і стаціонарна кавітація на крилі, встановленому в високошвидкісний гідродинамічної трубі.
Кавітація може відбуватися в зоні вихорів, що утворюються в місцях підвищеного зсуву і зниженого тиску. Вихрова кавітація часто спостерігається на передній кромці підводних крил, на передніх крайках лопатей і позаду маточини гребного гвинта. Можливо одночасне виникнення різних типів кавітації. На рис. 3 представлений морський гребний гвинт з вихровий кавитацией на передніх крайках лопатей, стаціонарними кавітаційними кавернами на поверхні лопатей і приєднаної вихровий кавитацией позаду маточини. Кавітація в рідини, що викликається звуковою хвилею, називається акустичної.
Мал. 3. кавітації НА гребного гвинта: вихрова на кромці лопаті (праворуч), вихрова на ступиці (зліва) і бульбашкова на лопаті (посередині).
Кавітація і техніка. Швидкість течії зазвичай сильно знижується у задній кромки профілю. Тут тиск стає вище тиску пара. Як тільки умови, сприятливі для кавітації, зникають, бульбашки тут же схлопиваются. Енергія, що вивільняється при схлопуванні бульбашок, дуже значна.
Ерозія. Велика енергія, що розсіюється при схлопуванні кавітаційних бульбашок, може призводити до пошкодження поверхонь підводних конструкцій, гребних гвинтів, турбін, насосів і навіть вузлів ядерних реакторів. Масштаби такого явища, званого гідравлічної ерозією, можуть бути різними - від точкової поверхневої ерозії після багатьох років експлуатації до катастрофічного виходу з ладу великих конструкцій.
Вібрація. Кавітація на гребних гвинтах може викликати періодичні коливання тиску, що діє на корпус судна і силові установки. Кавітаційна вібрація судна створює дискомфортні умови для пасажирів і команди.
ККД і швидкість. Кавітація може істотно збільшувати гідродинамічний опір, в результаті чого знижується коефіцієнт корисної дії гідравлічного обладнання. Надмірна кавітація на гребному гвинті може зменшити його тягу і обмежити максимальну швидкість судна; кавітація може також бути причиною зниження продуктивності турбіни або насоса і навіть зриву його роботи.
Шум. Деяка частина енергії, що вивільняється при схлопуванні кавітаційних бульбашок, перетворюється в звукові хвилі. Такий шум особливо небажаний на військово-морських судах, оскільки підвищує ймовірність їх виявлення. Як правило, кавітація є небажаною (в морській і турбонасосного техніці). Але в деяких випадках її викликають навмисно. Прикладом може служити кавітаційний гідромонітор. Велика енергія, що вивільняється при схлопуванні кавітаційних бульбашок у водяній струмені, використовується для буріння (за рахунок ерозії) гірських порід і для обробки поверхонь.
Біологічна дія. При ультразвуковому медичному обстеженні в біологічних тканинах можуть виникати і зростати кавитационні бульбашки. При наявності кавітації ультразвук великої інтенсивності може викликати пошкодження тканин.
Див. також
гидроаеромеханике;
гідролокатора;
УЛЬТРАЗВУК.
ЛІТЕРАТУРА
Кнепп Р. Дейлі Дж. Хемм Ф. Кавітація. М. 1974 Акуличем В.А. Кавітація в кріогенних і киплячих рідинах. М. тисяча дев'ятсот сімдесят вісім Левківський Ю.Л. Структура кавітаційних течій. Л. тисяча дев'ятсот сімдесят вісім Іванов А.Н. Гіродінаміка розвинених кавітаційних течій. Л. 1980