Гидродинамическая кавитация

Определение

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), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну.

Число кавитации

Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):

, где

• P – гидростатическое давление набегающего потока, Па;
• P_s – давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па;
• ρ – плотность среды, кг/м³;
• V – скорость потока на входе в систему, м/с.

Известно, что кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости V = V_c, когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.

В зависимости от величины Χ можно различать четыре вида потоков:

• докавитационный — сплошной (однофазный) поток при Χ>1;
• кавитационный — (двухфазный) поток при Χ~1;
• пленочный — с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при Χ< 1;
• суперкавитационный — при Χ<<1.

Обзор

Физический процесс кавитации близок процессу закипания жидкости. Основное различие между ними заключено в том, что при повышении относительной скорости потока относительно тела понижается давление потока до давления насыщенных паров (вакуума). При этом жидкость вскипает, и образуются кавитационные парогазовые пузырьки микроскопических размеров. Кавитационные пузырьки, попадая в область повышенного давления, схлопываются (замыкаются, конденсируются) кумулятивными струйками в точки. В этих точках, а их огромное количество, кумулятивные эффекты приводят к точечному повышению давлений до десятков тысяч атмосфер, с образованием точечных температур в десятки тысяч градусов по Кельвину. Кроме того, резкое (внезапное) исчезновение кавитационных пузырьков приводит к образованию гидравлических ударов, и как следствие к созданию волны сжатия и растяжения в жидкости с ультразвуковой частотой. Если ударная волна встречает на своем пути препятствие, то она разрушает его поверхность. Кавитационных пузырьков довольно много и захлопывание их происходит много тысяч раз в секунду, поэтому кавитация может привести к значительным разрушениям.

Энергия схлопывающихся пузырьков расходуется на излучение ударных волн, на локальный нагрев газа, содержащегося в сжимающихся кавитационных полостях, на возбуждение сонолюминисценции, на образование свободных радикалов, а также на создание шума.

Гидродинамическая кавитация

Возникает в тех участках потока, где давление понижается до некоторого критического значения. Присутствующие в жидкости пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком жидкости и попадая в область давления меньше критического, приобретает способность к неограниченному росту. После перехода в зону пониженного давления рост прекращается, и пузырьки начинают уменьшаться. Если пузырьки содержат достаточно много газа, то при достижении ими минимального радиуса, они восстанавливаются и совершают несколько циклов затухающих колебаний, а если мало, то пузырек схлопывается полностью в первом цикле.

Таким образом, вблизи обтекаемого тела создается кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками. Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом, тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырек. Если степень развития кавитации такова, что возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным спектром от несколько сотен герц до сотен килогерц. Спектр расширяется в область низких частот по мере увеличения максимального радиуса пузырьков.

Если бы жидкость была идеально однородной, а поверхность твердого тела, с которым она граничит идеально смачиваемой, то разрыв происходил бы при давлении более низком, чем давление насыщенного пара жидкости, при котором жидкость становится нестабильной. Теоретическая прочность воды на разрыв равна 1500 кг/см. реальные жидкости менее прочны. Максимальная прочность на разрыв тщательно очищенной воды, достигнутая при растяжении воды при 10 град. составляет 260 кг/см. Обычно же разрыв наступает при давлениях насыщенного пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них кавитационных зародышей — плохо смачиваемых участков твердого тела, твердых частиц, частиц заполненных газом и т.д.

Увеличение скорости потока после начала кавитации влечет за собой быстрое возрастание числа развивающихся пузырьков, вслед за этим происходит их объединение в общую кавитациверну и течение переходит в струйное.

Для плохо обтекаемых тел, обладающих острыми кромками, формирование струйного вида кавитации происходит очень быстро. Наличие кавитации неблагоприятно сказывается на работе гидравлических машин, турбин, насосов, судовых гребных винтов и заставляет принимать меры к избеганию кавитации. Если это оказывается невозможным, то в некоторых случаях полезно усилить развитие кавитации, создать так называемый режим "суперкавитации", отличающийся струйным характером обтекания и, применив специальное профилирование лопастей, обеспечить благоприятные условия работы механизмов. Замыкание кавитационных пузырьков вблизи поверхности обтекаемого тела часто приводит к разрушению поверхности, так называемой кавитационной эрозии. Чтобы избежать захлопывания кавитационных пузырьков, надо подать в область пониженного давления какой-нибудь газ, например воздух.

Полезное применение кавитации

Хотя кавитация и нежелательна во многих случаях, существуют исключения ее полезного применения:

• 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.
  
  В результате многолетних исследований специалистами инновационно-внедренческой фирмы «Кварта» был создан жидкостный кавитатор собственной разработки. Данный кавитатор использует совместное воздействие кумулятивных струек и гидродинамических ударов, что приводят к следующему:
  • эмульгированию обычно не смешиваемых продуктов (например, мазут–вода);
  • разрыву длинных полимерных цепей в нефтепродуктах, переводу их в новое структурное состояние;
  • измельчению (диспергированию) до микронного уровня твердых частиц в жидкости;
  • гомогенизации обрабатываемого продукта;
  • интенсификации химических реакций в десятки и порой даже тысячи раз;
  • стерилизации обрабатываемой жидкости.
  
  На основе нашего жидкостного кавитатора было создано оборудование целого ряда модификаций, которое может быть использовано в различных технологических процессах.
• Для ультразвуковой очистки поверхности применяют устройства, которые создают кавитацию, используя звуковые волны и разрушение кавитационных пузырей. Используемая таким образом, потребность в очистке от вредных химических веществ может быть уменьшена во многих промышленных и коммерческих процессах, где требуется очистка как этап производства. До сих пор подробности того, как пузыри производят очистку, до конца не поняты.
• Военные используют сверхкавитационные торпеды, которые обволакиваются в большие кавитационные пузыри. Существенно уменьшая контакт с водой, эти торпеды могут передвигаться значительно быстрее, чем обыкновенные торпеды. Данные исследования проводились в Институте гидромеханики НАН Украины.