Cavitazione
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La cavitazione è un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore all'interno di un liquido, che poi implodono producendo un rumore caratteristico.
Ciò avviene a causa dell'abbassamento locale di pressione ad un valore inferiore alla tensione di vapore del liquido stesso, che subisce così un cambiamento di fase a gas, formando cavità contenenti vapore.
La dinamica del processo è molto simile a quella dell'ebollizione. La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione è che nell'ebollizione, a causa dell'aumento di temperatura, la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido, creando quindi una bolla meccanicamente stabile, perché piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante: nella cavitazione invece è la pressione del liquido a scendere improvvisamente, mentre la temperatura e la pressione di vapore restano costanti. Per questo motivo la "bolla" da cavitazione resiste solo finché non esce dalla zona di bassa pressione idrostatica: appena ritorna in una zona del fluido in quiete, la pressione di vapore non è sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazione implode immediatamente.
Il fenomeno può avvenire sulle eliche delle navi, nelle pompe e nel sistema vascolare delle piante.
Affinché la cavitazione possa manifestarsi occorre un substrato che agisca da centro di nucleazione: può essere la superficie di un contenitore, impurità presenti nel liquido oppure altre irregolarità. La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione, poiché altera la tensione di vapore. Se la temperatura aumenta, la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione.
Si conviene usualmente di considerare una macchina idraulica in fase di cavitazione quando la portata, o la prevalenza, o la potenza generata calano di più del 3% rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione.
La cavitazione è stata proposta come una possibile spiegazione dello scrocchiamento delle articolazioni umane (dita, polsi, ecc.).
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[modifica] Problemi dovuti alla cavitazione
In genere la cavitazione è un fenomeno indesiderato e fonte di problemi. In dispositivi come pompe ed eliche, la cavitazione provoca una notevole perdita di efficienza, emissione di rumore e danneggiamento dei componenti.
Il collasso delle bolle da cavitazione infatti genera una grande quantità di rumore e un urto meccanico molto intenso: può danneggiare pressoché qualunque materiale scavandovi dei fori. Se si verifica spesso, questo fenomeno può ridurre notevolmente la durata di eliche e giranti di pompe. Infine la cavitazione è causa di attrito e turbolenza nel liquido, il che comporta un ulteriore calo di efficienza.
Il collasso delle bolle provoca onde di shock, ossia onde di pressione che possono essere estremamente intense; inoltre, se l'implosione avviene vicina ad una parete solida, essa genera un microgetto liquido (impinging jet) che erode il materiale costituente la parete e forma quelli che vengono chiamati "pits erosivi".
[modifica] Eliche e pompe
Quando le lame di un'elica o della girante di una pompa (centrifuga o assiale) si muovono nel liquido, si formano zone di bassa pressione laddove il liquido viene spostato. Più velocemente la lama avanza, maggiore è l'abbassamento di pressione; quando viene raggiunto il valore della tensione di vapore, il liquido evapora e forma le bolle di gas. Nelle pompe la cavitazione si può manifestare in due modi:
[modifica] Cavitazione in aspirazione
La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione, e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa. Le bolle di vapore attraversano la girante, e quando giungono nella sezione di uscita, l'alta pressione qui presente ne causa la violenta implosione, che crea il caratteristico rumore, come se la pompa stesse facendo passare della ghiaia. Ciò comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata, con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche. La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione è espresso dal concetto di NPSH (Net Positive Suction Head), in genere espresso in metri (sistema tecnico). In particolare l'NPSH(r) (acronimo per NPSH required) è caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per l'attraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico, energia cinetica, eventuale dislivello). L'NPSH(a) (acronimo per NPSH available), strettamente legato al circuito, esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione, decurtato della quantità Psat(T)/γ. Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovrà avere che NPSH(a) > NPSH(r).
[modifica] Cavitazione di scarico
La cavitazione di scarico si manifesta quando la pressione di uscita della pompa è molto alta. Normalmente si verifica quando la pompa sta lavorando a meno del 10% delle sue condizioni di massima efficienza.
A causa della pressione elevata sull'uscita, la maggior parte del liquido ricircola nella pompa invece di uscire, ed è costretto a passare ad alta velocità nello spazio tra la girante e lo statore. L'alta velocità induce la formazione di vuoto (per effetto Venturi) e la conseguente formazione delle sacche di vapore.
Una pompa funzionante in queste condizioni è soggetta a rapida usura della girante e dello statore. Inoltre le condizioni di alta pressione favoriscono l'usura dei cuscinetti e delle guarnizioni. In condizioni estreme si può avere la rottura dell'albero.
[modifica] La cavitazione nei motori diesel
Alcuni motori diesel più grandi soffrono dalla cavitazione a causa dell’alta compressione e delle pareti troppo piccole del cilindro.
Le vibrazioni della parete del cilindro inducono un alternarsi di alta e bassa pressione nel liquido refrigerante contro la parete del cilindro.
Il risultato è la formazione di “pits erosivi” sulla parete del cilindro che finisce per lasciare filtrare il refrigerante nel cilindro e i gas di combustione nel refrigerante.
È possibile prevenire il fenomeno con additivi chimici nel liquido di raffreddamento che formino uno strato di protezione sulla parete del cilindro. Questo strato protettivo sarà esposto anch’esso al fenomeno della cavitazione, ma si ricostituirà rapidamente.
[modifica] Sistema vascolare delle piante
La cavitazione può presentarsi nello xilema delle piante vascolari quando la depressione dell'acqua è tale che l'aria dissolta in essa si separa e si espande fino ad occupare la cellula che costituisce il vaso o la trachea.
Le piante sono in genere in grado di ripristinare lo xilema interrotto, per esempio con l'aumento della pressione prodotta dalle radici, ma per alcune, come la vite, il danno può essere fatale.
In alcuni alberi il rumore prodotto dalla cavitazione può essere udito (vedi nota [1]).
[modifica] Applicazioni della cavitazione
Ci sono casi in cui la cavitazione è sfruttata positivamente. Per esempio i siluri a supercavitazione usati in ambito militare si avvolgono in una grande cavità prodotta per cavitazione. In questo modo viene eliminato il contatto con l'acqua e il siluro può viaggiare a velocità molto elevate, anche supersoniche (anche se sulla possibilità di superare la velocità del suono in acqua, 5300 km/h, non si hanno documentazioni certe).
La cavitazione ha un uso pratico nei sistemi di lavaggio ad ultrasuoni, per gioielli, parti di orologi ed altri piccoli oggetti. In questo caso le implosioni delle bolle agiscono pulendo le superfici. All'interno dei tessuti biologici (corpo umano) il fenomeno, che produce la rottura di deboli legami intermolecolari, porta alla formazione di radicali liberi; comunque la cavitazione è impiegata, in campo medico, con frequenze di onde sonore, comprese fra 1 e 16 MHz, per l'effetto termico che riescono a produrre. In sonochimica costituisce un importante fenomeno energetico che promuove reazioni chimiche. Da alcuni anni (2002) la cavitazione viene impiegata anche nella medicina estetica, e attraverso delle apparecchiature apposite, pare sia utile nell'eliminare o ridurre le adiposità (liposuzione non chirurgica) tecnica intralipoclasica non cruenta.
[modifica] Biologia
Un gambero, (ordine: Decapoda, Famiglia: Alpheidae Rafinesque) in inglese: “pistol shrimp”, gambero con la pistola, usa un artiglio specializzato per generare un effetto di cavitazione, che gli permette di uccidere piccoli pesci.
[modifica] Cavitazione in fantascienza
Nella serie televisiva fantascientifica Star Trek, più precisamente si può osservare in Star Trek: Il film, la cavitazione è un difetto della propulsione a curvatura che porta alla deformazione delle onde e alla instabilità dei campi di integrità strutturale quindi alla distruzione della nave stellare se il processo non viene interrotto.
Nella serie tv Star Trek Voyager la cavitazione è la propulsione prodotta dalla modifica del nucleo e delle due bobine di curvatura (vedi Gondola di curvatura) studiata per raggiungere la Terra in un tempo molto più breve; questa propulsione è resa instabile dalla grande massa dell' incrociatore leggero di classe Intrepid quale la USS Voyager. Questa propulsione viene invece montata con successo, ma per un breve periodo, sul Delta Flyer.
[modifica] Note
[modifica] Bibliografia
[modifica] Voci correlate
[modifica] Tunnel per lo studio della cavitazione
[modifica] Italia
- (IT) "Tunnel di Cavitazione" INSEAN Istituto nazionale per studi ed esperienze di architettura navale [1], Roma
[modifica] Francia
- (FR) "Tunnel de Cavitation" Ecole Navale [2], Lanvéoc
- (FR) "Grand Tunnel Hydrodynamique" Bassin d'Essais des Carènes [3], Val de Reuil
[modifica] Norvegia
[modifica] Svezia
[modifica] Stati Uniti
- (EN) The Garfield Thomas Water Tunnel The Pennsylvania State University [6], State College, PA
- (EN) The William B. Morgan Large Cavitation Channel [7], Memphis (Tennessee)
- (EN) MIT's variable pressure water tunnel [8]
[modifica] Regno Unito
- (EN) "Emerson Cavitation Tunnel," University of Newcastle upon Tyne. [9]
[modifica] Corea del Sud
- (EN) Samsung Ship Model Basin (SSMB), Samsung Heavy Industries, [10], Daejeon (Home > Technology > SSMB > Cavitation Tunnel).
[modifica] Collegamenti esterni
- (EN) Cavitation and Bubble Dynamics by Christopher E. Brennen
- (EN) Fundamentals of Multiphase Flow by Christopher E. Brennen
- (EN) Supercavitation
- (EN) Cavitation vs. Supercavitation
- (EN) Cavitation and Sonochemistry
- (EN) van der Waals-type CFD Modeling of Cavitation
- (EN) International Symposium on Cavitation
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