Кавітацыя

Кавітацыя (ад лац.: cavitas — пустата) - працэс параўтварэння і наступнай кандэнсацыі бурбалак паветра ў патоку вадкасці, які суправаджаецца шумам і гідраўлічнымі ўдарамі, утварэнне ў вадкасці паражнін (кавітацыйных бурбалак, або каверн), запоўненых парай самай вадкасці, у якой узнікае. Кавітацыя ўзнікае ў выніку мясцовага паніжэння ціску ў вадкасці, якое можа адбывацца або пры павелічэнні яе хуткасці (гідрадынамічная кавітацыя), альбо пры праходжанні акустычнай хвалі вялікай інтэнсіўнасці падчас паўперыяда разрэджання (акустычная кавітацыя), існуюць і іншыя прычыны ўзнікнення эфекту. Перамяшчаючыся з патокам у вобласць з больш высокім ціскам або падчас паўперыяда сціску, кавітацыйная бурбалка спляскаецца, выпраменьваючы пры гэтым ўдарную хвалю.

З'ява кавітацыі носіць лакальны характар і ўзнікае толькі там, дзе ёсць умовы. Перамяшчацца ў асяроддзі ўзнікнення не можа. Кавітацыя руйнуе паверхню вяслярных вінтоў, гідратурбін, акустычных выпраменьвальнікаў і інш. Кавітацыя таксама прыносіць карысць - яе ўжываюць у прамысловасці, медыцыне, ваеннай тэхніцы і іншых сумежных галінах.

Агляд

Паводле азначэння Крыстафера Брэнена: «Калі вадкасць падвяргаецца ціску ніжэй парогавага (напружанню расцяжэння), тады цэльнасць яе патоку парушаецца, і ўтвараюцца парападобныя паражніны. Гэта з'ява называецца кавітацыяй. Калі мясцовы ціск вадкасці ў некаторай кропцы падае ніжэй велічыні, якая адпавядае ціску насычэння пры дадзенай навакольнай тэмпературы, тады вадкасць пераходзіць у іншы стан, утвараючы, у асноўным, фазавыя пустоты, якія называюцца кавітацыйнымі бурбалкамі. Магчыма і іншае утварэнне кавітацыйных бурбалак шляхам мясцовай падачы энергіі. Гэта можа быць дасягнута факусоўкай інтэнсіўнага лазернага імпульсу (аптычная кавітацыя) або іскрай электрычнага разраду».

У многіх крыніцах фізіка гэтай з'явы тлумачыцца наступным чынам. Фізічны працэс кавітацыі блізкі працэсу закіпання вадкасці. Асноўнае адрозненне паміж імі заключана ў тым, што пры закіпанні змяненне фазавага стану вадкасці адбываецца пры сярэднім па аб'ёме вадкасці ціску роўным ціску насычанага пару, тады як пры кавітацыі сярэдні ціск вадкасці вышэй ціску насычанага пару, а падзенне ціску носіць лакальны характар.

Аднак пазнейшыя даследаванні паказалі, што вядучую ролю ў утварэнні бурбалак пры кавітацыі гуляюць газы, якія вылучаюцца ўнутр бурбалак. Гэтыя газы заўсёды ўтрымліваюцца ў вадкасці, і пры мясцовым зніжэнні ціску пачынаюць інтэнсіўна вылучацца ўнутр названых бурбалак.

Паколькі пад уздзеяннем пераменнага мясцовага ціску вадкасці бурбалкі могуць рэзка сціскацца і пашырацца, то тэмпература газу ўнутры бурбалак вагаецца ў шырокіх межах, і можа дасягаць некалькіх соцень градусаў па Цэльсіі. Маюцца разліковыя дадзеныя, што тэмпература ўнутры бурбалак можа дасягаць 1500 градусаў Цэльсіяя^[1]. Варта таксама ўлічваць, што ў раствораных у вадкасці газах змяшчаецца больш кіслароду ў працэнтных адносінах, чым у паветры, і таму газы ў бурбалках пры кавітацыі хімічна больш агрэсіўныя, чым атмасфернае паветра - выклікаюць хуткае акісленне (ўступленне ў рэакцыю) амаль любога асяроддзя або матэрыялу.

Шкодныя наступствы

Хімічная агрэсіўнасць газаў у бурбалках, якія маюць да таго ж высокую тэмпературу, выклікае эрозію матэрыялаў, з якімі датыкаецца вадкасць, у якой развіваецца кавітацыя. Гэтая эрозія і складае адзін з фактараў шкоднага ўздзеяння кавітацыі. Другі фактар абумоўлены вялікімі закідамі ціску, якія ўзнікаюць пры сплясканні бурбалак і яны ўздзейнічаюць на паверхні названых матэрыялаў.

Таму кавітацыя ў многіх выпадках непажаданая. Напрыклад, яна выклікае разбурэнне вяслярных вінтоў судоў, працоўных органаў помпаў, гідратурбін і т. п., кавітацыя выклікае шум, вібрацыі і зніжэнне эфектыўнасці працы.

Калі спляскаюцца кавітацыйныя бурбалкі, энергія вадкасці засяроджваецца ў вельмі невялікіх аб'ёмах. Тым самым, утвараюцца месцы падвышанай тэмпературы і ўзнікаюць ударныя хвалі, якія з'яўляюцца крыніцамі шуму. Шум, які ствараецца кавітацыяй, з'яўляецца асаблівай праблемай на падводных лодках (субмарынах), так як з-за шуму іх могуць выявіць. Пры разбурэнні каверн вызваляецца шмат энергіі, што можа выклікаць пашкоджанні. Эксперыменты паказалі, што шкоднаму, разбуральнаму ўздзеянню кавітацыі падвяргаюцца нават хімічна інертныя да кіслароду рэчывы (золата, шкло і інш.), хоць і нашмат больш павольна. Гэта даказвае, што акрамя фактару хімічнай агрэсіўнасці газаў, якія знаходзяцца ў бурбалках, важным з'яўляецца таксама фактар закідаў ціску, якія ўзнікаюць пры скплясканні бурбалак. Кавітацыя вядзе да вялікага зносу рабочых органаў і можа значна скараціць тэрмін службы шрубы і помпы. У метралогіі, пры выкарыстанні ультрагукавых расходамераў, кавітацыйныя бурбалкі мадулююць хвалі, якія выпраменьваюцца расходамерам, што прыводзіць да скажэння яго паказанняў.

Карыснае прымяненне кавітацыі

Хоць кавітацыя непажаданая ў многіх выпадках, ёсць выключэнні. Напрыклад, звышкавітацыйныя тарпеды, якія выкарыстоўваюцца ваеннымі, ахінаюцца ў вялікія кавітацыйнае бурбалкі. Істотна памяншаючы кантакт з вадой, гэтыя тарпеды могуць перасоўвацца значна хутчэй, чым звычайныя тарпеды. Так звышкавітацыйная тарпеда «Шквал», у залежнасці ад шчыльнасці воднага асяроддзя, развівае хуткасць да 500 км/г. Такія даследаванні праводзіліся, напрыклад, у Інстытуце Гідрамеханікі НАН Украіны.^[2]

Кавітацыя выкарыстоўваецца пры ультрагукавой ачыстцы паверхняў цвёрдых цел. Спецыяльныя прылады ствараюць кавітацыю, выкарыстоўваючы гукавыя хвалі ў вадкасці. Кавітацыйныя бурбалкі, калі спляскаюцца, спараджаюць ударныя хвалі, якія руйнуюць часціцы забруджванняў або аддзяляюць іх ад паверхні. Такім чынам, зніжаецца патрэба ў небяспечных і шкодных для здароўя рэчывах, якія чысцяць, ў шматлікіх прамысловых і камерцыйных працэсах, дзе патрабуецца ачыстка як этап вытворчасці.

У прамысловасці кавітацыя часта выкарыстоўваецца для гамагенізацыі (змешвання) і адсадкі ўзважаных часціц у калоідныі вадкасным складзе, напрыклад, сумесі фарбаў або малацэ. Многія прамысловыя змяшальнікі заснаваныя на гэтым прынцыпе. Звычайна гэта дасягаецца дзякуючы канструкцыі гідратурбін або шляхам прапускання сумесі праз колцападобную адтуліну, якое мае вузкі ўваход і значна большы па памеры выхад: вымушанае памяншэнне ціску прыводзіць да кавітацыі, паколькі вадкасць імкнецца ў бок большага аб'ёму. Гэты метад можа кіравацца гідраўлічнымі прыладамі, якія кантралююць памер уваходнай адтуліны, што дазваляе рэгуляваць працэс працы ў розных асяроддзях. Знешні бок змешвальных клапанаў, па якому кавітацыйныя бурбалкі перамяшчаюцца ў процілеглы бок, каб выклікаць імплозію (ўнутраны выбух), падвяргаецца вялізнаму ціску і часта выконваецца з звышмоцных або цвёрдых матэрыялаў, напрыклад, з нержавеючай сталі, стэліту ці нават полікрышталічнага алмаза (PCD).

Кавітацыю выкарыстоўваюць для апрацоўкі паліва, падчас апрацоўкі паліва дадаткова акісляецца (пры правядзенні хімічнага аналізу адразу з'яўляецца вялікая колькасць смол) і пераразмяркоўваюцца суадносіны фракцый. Гэтыя змены, калі паліва адразу паступае да спажыўца, павышае яго якасць і каларыйнасць, як следства больш поўнае згаранне і памяншэнне масавай долі забруджвальных рэчываў. Зараз да гэтага часу праходзяць даследаванні па ўплыву кавітацыі на паліва, іх праводзяць прыватныя кампаніі і інстытуты.

Таксама былі распрацаваны кавітацыйныя водныя прылады ачысткі, у якіх межавыя ўмовы кавітацыі могуць знішчыць забруджвальныя рэчывы і арганічныя малекулы. Спектральны аналіз святла, выпусканага ў выніку сонахімічнай рэакцыі, паказвае хімічныя і плазменныя базавыя механізмы энергетычнай перадачы. Святло, выпусканае кавітацыйнымі бурбалкамі, называецца соналюмінесцэнцыяй.

Шматлікія энтузіясты будуюць на самаробных кавітатарах ацяпляльныя сістэмы для прыватных дамоў. Сутнасць сістэмы заключаецца ў замкнёным контуры, у якім цыркулюе вада праз кавітатар, а ціск стварае звычайная помпа. Лічыцца, што на 1 кВт электраэнергіі адбываецца нагрэў 1.3 кDт, гэта значыць 30% прырост нагрэву. Гэтыя дадзеныя ні кім не пацверджаны і многія лічаць містыфікацыяй, але шэраг прыватных кампаній публікаваў справаздачы даследаванняў, у якіх дадатковы нагрэў тлумачыўся утварэннем пергідроля (пераксіду вадароду), якая пры распадзе як раз вылучае цеплавую энергію. У выніку такая сістэма ацяплення магчымая, але занадта «сырая» і не дапрацаваная і ў працэсе кавітацыі руйнуецца сам кавітатар і патрабуе пастаяннай замены. Варта адзначыць, што з пункту гледжання тэрмадынамікі прырост ККД за кошт кавітацыі не магчымы (згодна з законам захавання энергіі), а утварэння пергідроля не адбываецца на ўвазе малой магутнасці прапанаваных кавітатараў. Тэарэтычна утварэнне пергідроля магчыма, але выдаткі энергіі ў гэтым выпадку перавысяць энергаёмістасць ацяпляльнай сістэмы без кавітацыі.

Кавітацыйныя працэсы маюць высокую разбуральную сілу, якую выкарыстоўваюць для драбнення цвёрдых рэчываў, якія знаходзяцца ў вадкасці. Адным з ужыванняў такіх працэсаў з'яўляецца драбненне цвёрдых уключэнняў у цяжкія паліва, што выкарыстоўваецца для апрацоўкі кацельнага паліва з мэтай павелічэння каларыйнасці яго гарэння.

Кавітацыйныя прылады зніжаюць вязкасць вуглевадароднага паліва, што дазваляе знізіць неабходны нагрэў і павялічыць дысперснасць распылення паліва.

Кавітацыйныя прылады выкарыстоўваюцца для стварэння водна-мазутных і водна-паліўных эмульсій і сумесяў, якія часта выкарыстоўваюцца для павышэння эфектыўнасці гарэння або ўтылізацыі абводненых відаў паліва.

Прымяненне ў біямедыцыне

Кавітацыя гуляе важную ролю для знішчэння камянёў у нырках і мачаточніку з дапамогай ударнай хвалі літатрыпсіі. Літатрыптар - прыбор, прызначаны для разбурэння камянёў у мочапалавому тракце без адкрытага хірургічнага ўмяшання.

У цяперашні час даследаваннямі паказана, што кавітацыя таксама можа быць выкарыстана для перамяшчэння макрамалекул ўнутр біялагічных клетак (сонапарацыя).

Кавітацыя, якая ствараецца праходжаннем ультрагуку ў вадкасным асяроддзі, выкарыстоўваецца ў працы хірургічных інструментаў для бяскроўнага сячэння тканін шчыльных органаў (гл. CUSA).

Кавітацыя таксама ўжываецца ў стаматалогіі пры ультрагукавой чыстцы зубоў, руйнуючы зубны камень і пігментаваны налёт («налёт курца»), а таксама касметалогіі.

Лопасцевыя помпы і шрубы судоў

У месцах кантакту вадкасці з цвёрдымі аб'ектамі, якія рухаюцца хутка (працоўныя органы помпаў, турбін, вяслярныя шрубы судоў, падводныя крылы і г. д.) адбываецца лакальнае змяненне ціску. Калі ціск у нейкім пункце падае ніжэй ціску насычанага пару, адбываецца парушэнне цэласнасці асяроддзя. Ці, прасцей кажучы, вадкасць закіпае. Затым, калі вадкасць трапляе ў вобласць з больш высокім ціскам, адбываецца «плясканне» бурбалак пару, што суправаджаецца шумам, а таксама з'яўленнем мікраскапічных абласцей з вельмі высокім ціскам (пры сутыкненні сценак бурбалак). Гэта прыводзіць да разбурэння паверхні цвёрдых аб'ектаў. Іх як бы «раз'ядае». Калі зона паніжанага ціску аказваецца досыць шырокай, узнікае кавітацыйная каверна - паражніна, запоўненая парай. У выніку нармальная праца лопасцяў парушаецца і магчымы нават поўны зрыў працы помпы. Цікава, але ёсць прыклады, калі кавітацыйная кавернай спецыяльна закладваецца пры разліку помпы. У тых выпадках, калі пазбегнуць кавітацыі немагчыма, такое рашэнне дазваляе пазбегнуць разбуральнага ўплыву кавітацыі на працоўныя органы помпы. Рэжым, пры якім назіраецца ўстойлівая кавітацыйная каверна, называюць «рэжымам суперкавітацыі».

Лопасцевыя помпы. Кавітацыя на баку ўсмоктвання

Як правіла, зона кавітацыі назіраецца паблізу зоны ўсмоктвання, дзе вадкасць сустракаецца з лопасцямі помпы. Верагоднасць узнікнення кавітацыі тым вышэй,

чым ніжэй ціск на ўваходзе ў помпу;
чым вышэй хуткасць руху рабочых органаў адносна вадкасці;
чым больш нераўнамерна абцяканне вадкасцю цвёрдага цела (высокі вугал нападу лопасці, наяўнасць заломаў, няроўнасцяў паверхні і т. п.)

Цэнтрабежныя помпы. Кавітацыя ва ўшчыльненні працоўнага кола

У класічных цэнтрабежных помпаў частка вадкасці з вобласці высокага ціску праходзіць праз шчыліну паміж працоўным колам і корпусам помпы ў зону нізкага ціску. Калі помпа працуе з істотным адхіленнем ад разліковага рэжыму ў бок павышэння ціску нагнятання, расход уцечак праз ўшчыльненне паміж працоўным колам і корпусам ўзрастае (з-за павелічэння перападу ціску паміж паражнінамі ўсмоктвання і нагнятання). З-за высокай хуткасці вадкасці ў ўшчыльненні магчыма з'яўленне кавітацыйных з'яў, што можа прывесці да разбурэння працоўнага кола і корпуса помпы. Як правіла, у бытавых і прамысловых выпадках рэжым кавітацыі ў працоўным коле помпы магчымы пры рэзкім падзенні ціску ў сістэме ацяплення або водазабеспячэння: напрыклад, пры парыве трубаправода, каларыфера або радыятара. Пры рэзкім падзенні ціску ў зоне працоўнага кола помпы утворыцца вакуум, вада пры нізкім ціску пачынае закіпаць. Пры гэтым напор рэзка падае. Рэжым кавітацыі прыводзіць да эрозіі працоўнага кола помпы, і помпа выходзіць з ладу.

Кавітацыя у рухавіках

Некаторыя вялікія па памерам дызельныя рухавікі пакутуюць ад кавітацыі з-за высокага сціску і малагабарытных сценак цыліндру. У выніку ў сценках цыліндру ўтвараюцца адтуліны, якія прыводзяць да таго, што астуджальная вадкасць пачынае трапляць у цыліндры рухавіка. Прадухіліць непажаданыя з'явы магчыма пры дапамозе хімічных дабавак у астуджальную вадкасць, якія ўтвараюць ахоўны пласт на сценках цыліндру. Гэты пласт будзе схільны той жа кавітацыі, але ён можа самастойна аднаўляцца.

Прадухіленне наступстваў

Найлепшым метадам прадухілення шкодных наступстваў кавітацыі для дэталяў машын лічыцца змена іх канструкцыі такім чынам, каб прадухіліць утварэнне паражнін альбо прадухіліць разбурэнне гэтых паражнін каля паверхні дэталі. Пры немагчымасці змены канструкцыі могуць прымяняцца ахоўныя пакрыцці, напрыклад, газатэрмічнае напыленне сплаваў на аснове кобальту.

У сістэмах гідрапрывада часта выкарыстоўваюць сістэмы падсілкоўвання. Яны, спрошчана кажучы, прадстаўляюць сабой дадатковую помпу, вадкасць ад якога пачынаюць паступаць праз адмысловы клапан у гідрасістэму, калі ў апошняй ціск падае ніжэй дапушчальнага значэння. Калі ціск у гідрасістэме не апускаецца ніжэй за дапушчальны, вадкасць ад дадатковай помпы ідзе на сліў ў бак. Сістэмы падсілкоўвання ўстаноўлены, напрыклад, у многіх экскаватарах.

Лік кавітацыі

Кавітацыйную плынь характарызуюць безразмерным параметрам (лікам кавітацыі):

\mathrm {X} ={\frac {2(P-P_{s})}{\rho V^{2}}}

, дзе

$P$ — гідрастатычны ціск набягаючага патоку, Па;
$P_{s}$ — ціск насычаных пароў вадкасці пры пэўнай тэмпературы навакольнага асяроддзя, Па; $\rho$ — шчыльнасць асяроддзя, кг/м³; $V$ — хуткасць патоку на ўваходзе ў сістэму, м/с.

Вядома, што кавітацыя ўзнікае пры дасягненні патокам межавай хуткасці $V=V_{c}$ , калі ціск у струмені становіцца роўным ціску параўтварэння (насычанай пары). Гэтай хуткасці адпавядае межавае значэнне крытэра кавітацыі.

У залежнасці ад велічыні $\mathrm {X}$ можна адрозніваць чатыры віды патокаў:

дакавітацыйны - суцэльны (аднафазны) струмень пры $\mathrm {X} >1$ ,
кавітацыйны - (двухфазны) струмень пры $\mathrm {X} \approx 1$ ,
плёнкавы - з устойлівым аддзяленнем кавітацыйнай паражніны ад астатняга суцэльнага патоку (плёнкавая кавітацыя) пры $\mathrm {X} <1$ ,
суперкавітацыйны - пры $\mathrm {X} \ll 1$ .

Зноскі

↑ (гл., напрыклад, Башта Т. М. «Машиностроительная гидравлика», М.: «Машиностроение», 1971, с. 44-46.)
↑ Институт гидромеханики — информация отдела Архівавана 3 лютага 2012.

Літаратура

Акуличев В. А. Кавитация в криогенных и кипящих жидкостях. М.: Наука, 1978. — 280 c.
Биркгоф Г., Сарантонелло Э. Струи, следы и каверны. пер. с англ. М.: Мир, 1964. — 466 с.
Иванов А. Н. Гидродинамика развитых кавитационных течений. Л.: Судостроение, 1980. — 237 с.
Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. М.: Мир, 1974. — 678 с.
Левковский Ю. Л. Структура кавитационных течений. Л.: Судостроение, 1977. — 222 с.
Перник А. Д. Проблемы кавитации. 2-ое изд. Л.: Судостроение, 1966. — 435 с.
Пирсол И. Кавитация / Пер. с англ. Ю. Ф. Журавлёва; Под ред., с предисл. и доп. Л. А. Эпштейна.. — М.: Мир, 1975. — 96 с. — (В мире науки и техники).
Пятровіч А. В. Гідраўлічныя машыны і гідраўстаноўкі: вучэбна-метадычны дапаможнік для студэнтаў вышэйшых навучальных устаноў / А. В. Пятровіч, У. Б. Кунтыш. — Мінск: БДТУ, 2010. — 113 c.
Рождественский В. В. Кавитация. Л.: Судостроение, 1977. — 248c.
Федоткин И. М., Гулый И. С. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности (теория, расчеты и конструкции кавитационных аппаратов). Ч.1. — К.: Полиграфкнига, 1997. — 940 с.

Спасылкі

[1] (гл., напрыклад, Башта Т. М. «Машиностроительная гидравлика», М.: «Машиностроение», 1971, с. 44-46.)

[2] Институт гидромеханики — информация отдела Архівавана 3 лютага 2012.

[1]

[2]