6.5. Кавитация - "Джонатан" jlproj.org

@Горин Ю.В. Указатель физических эффектов и явлений для использования при решении
изобретательских задач.
http://www.jlproj.org
6.5. Кавитация
Кавитацией называется образование разрывов сплошности жидкости в результате
местного понижения давления. Если понижение давления происходит вследствие возникновения больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то кавитация называется гидродинамической, а если вследствие появления акустических волн, то
акустической.
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, приобретают способность к неограниченному росту. После перехода в зону повышенного 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 кавитаций такова, что возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со
сплошным спектром от нескольких сотен герц до сотен кГц. 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 значительно более низком, чем давление насыщенного пара жидкости, при котором жидкость
становится нестабильной. Теоретическая прочность воды 1500 кг/см2. Реальные жидкости
менее прочны. Максимальное растяжение тщательно очищенной воды, достигнутое при
10°С, составляет -280 кг/см2. Обычно же разрыв возникает при давлениях, лишь немного
меньших давления насыщенного пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с
наличием в них так называемых кавитационных зародышей: плохо смачиваемых участков
твердого тела, твердых частиц, частиц с трещинами, заполненными газом, микроскопических газовых пузырьков, предохраняемых от растворения мономолекулярными органическими оболочками, ионных образований, возникающих под действием космических лучей.
Увеличение скорости потока после начала кавитации влечет за собой быстрое возрастание числа развивающихся пузырьков, вслед за чем происходит их объединение в общую навигационную каверну 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.
Акустическая кавитация - это образование и захлопывание полостей в жидкости под
воздействием звука. Полости образуются в результате разрыва жидкости во время полупе-
@Горин Ю.В. Указатель физических эффектов и явлений для использования при решении
изобретательских задач.
http://www.jlproj.org
риодов растяжения кавитационных зародышей, а захлопываются во время полупериодов
сжатия. Полости заполнены в основном насыщенным паром данной жидкости, поэтому
процесс иногда называют паровой кавитацией, в отличие от газовой кавитации - интенсивных нелинейных колебаний газовых (обычно воздушных) пузырьков в звуковом поле, существовавших в жидкости до включения звука. Если газовая кавитация может протекать с
большей или меньшей интенсивностью при любых значениях амплитуды давления звуковой волны, то паровая лишь при достижении некоторого критического значения амплитуды давления, так называемого кавитационного порога.
Величина порога - от величины давления насыщенного вара жидкости до нескольких десятков и даже сотен атмосфер, в зависимости от содержания в жидкости зародышей.
Экспериментально установлено, что величина порога зависит от многих факторов. Порог
повышается с ростом гидростатического давления, после обжатия жидкости высоким (порядка 103 атм) статическим давлением, при обезгаживании и охлаждении жидкости, с ростом частоты звука и с уменьшением продолжительности озвучивания. Порог выше для бегущей, чем для стоячей волны.
При захлопывании сферической полости давление в ней резко возрастает, как при
взрыве, что приводит к излучению импульса сжатия. Давление при захлопывании особенно велико при кавитации на низких частотах в обезгаженной жидкости с малым давлением
насыщенного пара. Если увеличить содержание газа в жидкости, то диффузия газа в полости усилится, захлопывание полостей станет неполным и подъем давления при захлопывании - небольшим. При содержании газа в жидкости выше 50% насыщения возникает кавитационное обезгаживание жидкости - образование и всплывание газовых пузырьков и вырождение паровой кавитации в газовую. Если образовавшиеся паровые пузырьки колеблются вблизи границы с твердым телом, около них возникают интенсивные микропотоки.
Появление кавитации ограничивает дальнейшее повышение интенсивности звука, излучаемого в жидкость, и снижает волновое сопротивление жидкости, что влечет за собой
снижение нагрузки на излучатель.
Акустическая кавитация вызывает ряд эффектов. Часть из них, например, разрушение и диспергирование твердых тел, эмульгирование жидкостей, очистка, обязаны своим
происхождением ударам при схлопывании полостей и микропотокам вблизи пузырьков.
Другие эффекты (например, кавитация вызывает и ускоряет химические реакции) связаны
с ионизацией при образовании полостей. Благодаря этим эффектам акустическая кавитация
находит всё более широкое применение для создания новых и совершенствования известных технологическое процессов. Большинство практических применений ультразвука основано на эффекте кавитации.
Литература
Н.А.Рой. Возникновение и протекание ультразвуковой кавитации. Акустический
журнал. 1957 г. №3, вып.1
А. с. 219860:
Способ полярографического анализа на твердых электродах,
отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности измерений,
на электрод с окружающим его электролитом воздействуют ультразвуковым полем с интенсивностью, превращающей порог кавитации.
А.с.
Способ непрерывного измерения влажности движущихся твердых материалов,
@Горин Ю.В. Указатель физических эффектов и явлений для использования при решении
изобретательских задач.
http://www.jlproj.org
отличающийся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени измерения,
искусственно отделяют влажную среду от твердой, например, с помощью акустической кавитации, образуют восходящий столб тумана и измеряют плотность у одной из разделенных сред, по которой судят о влажности материала.
А.с. 260618:
Способ удаления осадка с фильтрующих перегородок,
отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса удаления осадка,
в зоне удаления осадка создают кавитационный поток с помощью пузырьков газа.
А.с. 268162:
Способ размола волокнистых материалов внутреннего фибриллирования волокон,
отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса размола,
повышения физико-механических свойств полуфабриката и снижения расхода
энергии на размол, фибриллирование производят в гидродинамическом кавитационном поле при скорости потока 20-30 м/сек и давлении в системе 20-40 м. вод. ст.
А.с. 339612:
Способ пропитки волокнистых материалов путем их смешения с растворами химических реагентов,
отличающийся тем, что, с целью улучшения и ускорения пропитки,
суспензию волокнистого материала в пропитывающем растворе подвергают обработке в гидродинамическом кавитационном поле.
В авторском свидетельстве № 200931 описывается установка, использующая в
своей работе явление кавитации. Назначение установки - снятие заусенцев с деталей самой различной форы. Деталь помещается в жидкость под высоким давлением, насыщенную мельчайшими абразивными частицами. При возбуждении в жидкости интенсивной
акустической кавитации заусенцы отделяются от деталей; вдобавок деталь очищается
от стружки и масла не только на открытых поверхностях, но и в глухих резьбовых соединениях. (См. журнал «Вестник машиностроения», 1969г., № 12).
Патент США 3554154:
Поверхность шлюпки ниже ватерлинии покрыта короткой щетиной, которая отходит от шлюпки наружу и гасит кавитационные вихри, возникающие при движении
шлюпки. Щетина может быть снабжена моющим веществом.