Кавитация. Химические процессы в кавитационных пузырьках Подготовила студентка 3 курса Худякова Е.С. Определение кавитации. • Кавита́ция - физический процесс образования пузырьков (каверн, или пустот) в жидких средах, с последующим их схлопыванием и высвобождением большого количества энергии, которое сопровождается шумом и гидравлическими ударами. Кавитация может быть гидродинамической и акустической Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости, либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения. • Существуют и другие причины - перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырёк схлопывается, излучая при этом ударную волну Схема кавитации Закон Бернулли. В жидкости без трения энергия постоянна вдоль линии тока. 1 1 1 2 2 p0 0 p1 1 p2 22 const 2 2 2 где p – давление, r – плотность, а v – скорость. Индексы 0, 1 и 2 относятся к любым трем точкам на данной линии тока. Обтекания профиля и три точки на одной линии тока. Скорость максимальна, а давление минимально в верхней точке на профиле. Вредные последствия кавитации Кавитация во многих случаях нежелательна. Химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает эрозию материалов, с которыми соприкасается жидкость, в которой развивается кавитация. Эта эрозия и составляет один из факторов вредного воздействия кавитации. Второй фактор обусловлен большими забросами давления, возникающими при схлопывании пузырьков и воздействующими на поверхности указанных материалов. Эксперименты показали, что вредному, разрушительному воздействию кавитации подвергаются даже химически инертные к кислороду вещества (золото, стекло и др.), хотя и намного более медленному Полезное применение кавитации Хотя кавитация нежелательна во многих случаях, есть исключения. Например, сверхкавитационные торпеды, обволакиваются в большие кавитационные пузыри. Кавитация используется при ультразвуковой очистке поверхностей твёрдых тел. Специальные устройства создают кавитацию, используя звуковые волны в жидкости. В промышленности кавитация часто используется для гомогенизации (смешивания) и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, например, смеси красок или молоке. Кавитационные процессы имеют высокую разрушительную силу, которую используют для дробления твердых веществ, которые находятся в жидкости. Позже будут рассмотрены другие области применения кавитации. Искусственный метод возникновения кавитации. Используются ультразвуковые кавитаторы. Потребуется врезка в систему трубопровода ультразвукового излучателя через патрубок или реконструкция участка трубопровода с установкой корпуса ультразвукового кавитатора. Эти кавитаторы используются для создания одноименной ультразвуковой кавитации. Химические процессы в кавитационных пузырьках 1 Rmin P Rmax [ ]3( 1) ( 1) P0 Pmax Rmax 3 P( ) Rmin где P — давление газа в пузырьке при максимальном радиусе, P0 – гидростатическое давление, g=СP /Cv . При адиабатическом характере захлопывания пузырька температура в нем составляет: Tmax =T0 [((g— 1)P0 )/P]3( g — 1) , где T0 – температура жидкости. При Rmin =0.1 Rmax ; P0 =105 Па; γ=3/4; и Т0 =3000 С давление газа в пузырьке при максимальном радиусе составит P=3.3×103 Па. Подставив эти значения в уравнения (1) и (2), получим, что при захлопывании кавитационного пузырька давление достигает Pmax =3×107 Па, а температура Тmax =3000 К. В кавитационную полость могут проникать пары воды, растворенные газы, а также вещества с высокой упругостью пара и не могут проникать ионы или молекулы нелетучих растворенных веществ. Выделяющейся в процессе схлопывания пузырька энергии достаточно для возбуждения, ионизации и диссоциации молекул Н2О, газов и веществ с высокой упругостью пара внутри кавитационной полости. Некоторые реакции осуществить не удается, так как в этих условиях затрудняется возникновение кавитации. С другой стороны для осуществления звукохимических реакций необходимо достижение пороговой мощности, при которой возникает кавитация Число кавитации Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации): 2( P PS ) X 2 V Р— гидростатическое давление набегающего потока, Па; PS — 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=Vc, когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации. Применение кавитации Кавитация помогает бороться с проблемами с почками. Она используется для удаления камней в этой области. Уничтожение камней осуществляется при помощи ударной волны. Кавитация также применяется в стоматологии при ультразвуковой чистке зубов, разрушая зубной камень и пигментированный налёт В судостроении не редко встречается использование кавитации. В насосах и винтах судов используется это явление. Оно применяется в местах, где при соприкосновении с водой вращающиеся твердые детали понижаю ее давление. В результате она начинает нагреваться и образуются пузырьки, после лопания которых появляется характерный шум. В военной промышленности кавитация тоже нашла свое особое применение. Она позволяет создавать уникальные острые виды пуль и сверхбыстрые торпеды. Применение кавитации 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. В местах контакта жидкости с быстро движущимися твёрдыми 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. Некоторые большие по размеру дизельные двигатели страдают от кавитации из — за высокого сжатия и малогабаритных стенок цилиндра. Предотвращение последствий кавитации • Основным способом борьбы с кавитацией является максимальное снижение разрежения в зонах возможной кавитации, которое частично может быть достигнуто за счет повышения окружающего давления. • Ещё одним методом предотвращения вредных последствий кавитации для деталей машин считается изменение их конструкции таким образом, чтобы предотвратить образование полостей либо предотвратить разрушение этих полостей возле поверхности детали. • При невозможности изменения конструкции могут применяться защитные покрытия, например, газотермическое напыление сплавов на основе кобальта. Например, применяют коррозионно— стойкие материалы (стали с добавкой хрома и никеля) при одновременной тщательной обработке их поверхностей, омываемых кавитируемой жидкостью. Применяют также покрытия деталей материалом, стойким против кавитационного разрушения (бронзой, хромом и пр.). Кавитационный след гребного винта
