Кавитация

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Кавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация). Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну.

Кавитация разрушает поверхность гребных винтов, гидротурбин, акустических излучателей и др.

Содержание

1 Обзор
2 Вредные последствия
3 Полезное применение кавитации
4 Применение в биомедицине
5 Лопастные насосы и винты судов
6 Лопастные насосы. Кавитация на стороне всасывания
7 Центробежные насосы. Кавитация в уплотнении рабочего колеса
8 Кавитация в двигателях
9 Сосудистые растения
10 Применение
11 Ссылки

[править] Обзор

Согласно определению Кристофера Бреннена: «Когда жидкость подвергается давлению ниже порогового (напряжению растяжения), тогда целостность ее потока нарушается, и образуются парообразные полости. Это явление называется кавитацией. Когда местное давление жидкости в некоторой точке падает ниже величины, соответствующей давлению насыщенного пара при данной окружающей температуре, тогда жидкость переходит в другое состояние, образуя, в основном, фазовые пустоты, которые называются кавитационными пузырями. Возможно и другое образование кавитационных пузырей путем местной подачи энергии. Это может быть достигнуто фокусировкой интенсивного лазерного импульса (оптическая кавитация) или искрой электрического разряда».

Физический процесс кавитации близок процессу закипания жидкости. Основное различие между ними заключено в том, что при закипании изменение фазового состояния жидкости происходит при среднем по объёму жидкости давлении равном давлению насыщенного пара, тогда как при кавитации среднее давление жидкости выше давления насыщенного пара, а падение давления носит локальный характер.

[править] Вредные последствия

повреждения наносимые эффектом кавитации (часть насоса)

Кавитация во многих случаях нежелательна. Например, она вызывает разрушение гребных винтов судов, рабочих органов насосов, гидротурбин и т.п., кавитация вызывает шум, вибрации и снижение эффективности работы.

Когда разрушаются кавитационные пузыри, энергия жидкости сосредотачивается в очень небольших объемах. Тем самым, образуются места повышенной температуры и возникают ударные волны, которые являются источниками шума. Шум, создаваемый кавитацией, является особой проблемой на подводных лодках (субмаринах), так как из-за шума их могут обнаружить. При разрушении каверн освобождается много энергии, что может вызвать основные повреждения. Кавитация может разрушить практически любое вещество. Последствия, вызванные разрушением каверн, ведут к большому износу рабочих органов и могут значительно сократить срок службы винта и насоса. В метрологии, при использовании ультразвуковых расходомеров, кавитационные пузыри модулируют волны, излучаемые расходомером, что приводит к искажению его показаний.

[править] Полезное применение кавитации

Хотя кавитация нежелательна во многих случаях, однако есть исключения. Например, сверхкавитационные торпеды, используемые военными, обволакиваются в большие кавитационные пузыри. Существенно уменьшая контакт с водой, эти торпеды могут передвигаться значительно быстрее, чем обыкновенные торпеды. Такие исследования проводились, например, в Институте гидромеханики НАН Украины [3].

Кавитация может быть полезной при ультразвуковой очистке устройств. Эти устройства создают кавитацию, используя звуковые волны и разрушение кавитационных пузырей для чистки поверхности. Используемая таким образом, потребность в очистке от вредных химических веществ может быть уменьшена во многих промышленных и коммерческих процессах, где требуется отчистка как этап производства. До сих пор подробности того, как пузыри производят очистку, до конца не поняты.

В промышленности, кавитация часто используется для гомогенизирования, или смешивания, и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, например, смеси красок или молоке. Многие промышленные смесители основываются на этом разработанном принципе. Обычно это достигается благодаря конструкции гидротурбин или путем пропускания смеси через кольцевидное отверстие, которое имеет узкое входное отверстие и значительно большее выходное: вынужденное уменьшение давления приводит к кавитации, поскольку жидкость стремится в сторону большего объема. Этот метод может управляться гидравлическими устройствами, которые контролируют размер входного отверстия, что позволяет регулировать процесс работы в различных средах. Внешняя сторона смесительных клапанов, по которой кавитационные пузыри перемещаются в противоположную сторону, чтобы вызвать имплозию (внутренний взрыв), подвергается огромному давлению и часто выполняется из сверхпрочных или жестких материалов, например, из нержавеющей стали, стеллита или даже поликристаллического алмаза (PCD).

Также были разработаны кавитационные водные устройства очистки, в которых граничные условия кавитации могут уничтожить загрязняющие вещества и органические молекулы. Спектральный анализ света, испускаемого в результате сонохимической реакции, показывает химические и плазменные базовые механизмы энергетической передачи. Свет, испускаемый кавитационными пузырями, называется сонолюминесценцией.

[править] Применение в биомедицине

Кавитация играет важную роль для уничтожения камней в почках посредством ударной волны литотрипсии. Литотриптор - прибор, предназначенный для разбивки камней в желчном и мочевом пузырях без хирургического вмешательства был разработан В. Ю. Вероманом и Г. А. Денисовым. В настоящее время исследованиями показано, что кавитация также может быть использована для перемещения больших молекул внутрь биологических клеток (сонопорация).

[править] Лопастные насосы и винты судов

В местах контакта жидкости с быстро движущимися твердыми объектами (рабочие органы насосов, турбин, гребные винты судов, подводные крылья и т.д.) происходит локальное изменение давления. Если давление в какой-то точке падает ниже давления насыщенного пара, происходит нарушение целостности среды. Или, проще говоря, жидкость закипает. Затем, когда жидкость попадает в область с более высоким давлением, происходит "схлопывание" пузырьков пара, что сопровождается шумом, а также появлением микроскопических областей с очень высоким давлением (при соударении стенок пузырьков). Это приводит к разрушению поверхности твердых объектов. Их как-бы "разъедает". Если зона пониженного давления оказывается достаточно обширной, возникает кавитационная каверна - полость, заполненная паром. В результате нормальная работа лопастей нарушается и возможен даже полный срыв работы насоса. Любопытно, но есть примеры, когда кавитационная каверна специально закладывается при расчете насоса. В тех случаях, когда избежать кавитации невозможно, такое решение позволяет избежать разрушительного влияния кавитации на рабочие органы насоса. Режим, при котором наблюдается устойчивая кавитационная каверна, называют "режимом суперкавитации".

[править] Лопастные насосы. Кавитация на стороне всасывания

Как правило, зона кавитации наблюдается вблизи зоны всасывания, где жидкость встречается с лопастями насоса. Вероятность возникновения кавитации тем выше, - чем ниже давление на входе в насос; - чем выше скорость движения рабочих органов относительно жидкости; - чем более неравномерно обтекание жидкостью твердого тела (высокий угол атаки лопасти, наличие изломов, неровностей поверхности и т.п.)

[править] Центробежные насосы. Кавитация в уплотнении рабочего колеса

У классических центробежных насосов часть жидкости из области высокого давления проходит, через щель между рабочим колесом и корпусом насоса, в зону низкого давления. Когда насос работает с существенным отклонением от расчетного режима в сторону повышения давления нагнетания, расход утечек через уплотнение между рабочим колесом и корпусом возрастает (из-за увеличения перепада давления между полостями всасывания и нагнетания). Из-за высокой скорости жидкости, в уплотнении возможно появление кавитационных явлений что может привести к разрушению рабочего колеса и корпуса насоса. Как правило, в бытовых и промышленных случаях, режим кавитации в рабочем колесе насоса, при резком падении давления с системе отопления или водоснабжения... Таким примером может являться разрыв трубопровода, каллорифера или радиатора. При резком падении давления в зоне рабочего колеса насоса, образуется вакуум, вода при низком давлении начинает вскипать. При этом явлении напор резко падает. Режим кавитации приводит к эррозированию рабочего колеса насоса и насос выходит из строя.<>

[править] Кавитация в двигателях

Некоторые большие по размеру дизельные двигатели страдают от кавитации из-за высокого сжатия и малогабаритных стенок цилиндра. В результате в стенках цилиндра образовываются дырки, которые приводят к тому, что охлаждающая жидкость начинает попадать в цилиндры двигателя. Предотвратить нежелательные явления возможно при помощи химических добавок в охлаждающую жидкость, которая образует защитный слой на стенках цилиндра. Этот слой будет подвержен той же кавитации, но он может самостоятельно восстанавливаться.

[править] Сосудистые растения

Кавитация происходит в ксилемных сосудистых растениях, когда водный потенциал становится таким большим, что растворившийся в воде воздух расширяется, чтобы заполнить клетки растения, или элементы сосудов, капилляры. Обычно растения способны исправить кавитационную ксилему, например, при помощи корневого давления, но для других растений, таких как виноградники, кавитация часто приводит к гибели. В некоторых деревьях ясно слышен кавитационный шум. Осенью температурное понижение увеличивает образование воздушных пузырей в капиллярах некоторых видов растений, что вызывает опадание листьев.