Кавитация
КАВИТАЦИЯ (от латинского cavitas - пустота) (гидродинамическая кавитация), образование в жидкости пузырьков или полостей, заполненных паром, газом или их смесью, при обтекании жидкостью твёрдых тел. Кавитация возникает при вскипании жидкости за счёт гидродинамического понижения давления. В местах сужений (особенно на передних кромках обтекаемых препятствий), где давление жидкости становится ниже некоторой величины рН, практически равной давлению насыщенного пара, происходит образование кавитационных пузырьков. Величина рН обычно мала; для воды при температуре 18 °С она составляет 2·103 Па. Образовавшиеся пузырьки плывут по потоку и, попадая при расширении потока в область повышенного давления, начинают сжиматься. Сжатие пузырька неустойчиво; при этом вблизи твёрдой поверхности образуется кумулятивная струя, направленная к поверхности тела, скорость которой может достигать нескольких километров в секунду. Это явление приводит к разрушению поверхности - кавитационной эрозии. Эрозия наблюдается на поверхностях гребных винтов, подводных крыльев, лопаток гидротурбин, стенок водоводов, насосов и т. п.
Реклама
При заданной форме обтекаемого тела возникновение кавитации описывается безразмерным параметром σ = 2(р∞ - рН)/(ρυ2∞) (р∞ и υ∞ - давление и скорость набегающего потока, ρ - плотность жидкости). Этот параметр называется числом кавитации и служит одним из критериев подобия кавитационных течений. Увеличение скорости набегающего потока υ∞ после начала кавитации приводит к возрастанию числа пузырьков и их объединению в общую каверну - кавитационную полость, заполненную паром. Возникает развитое струйное течение. Одно из средств борьбы с кавитационной эрозией - создание профилей так называемых суперкавитирующих крыльев с острой передней кромкой, способствующей образованию достаточно длинной каверны, которая, замыкаясь за крылом, не разрушает его.
В некоторых устройствах в специально организованную каверну подаётся газ под давлением, близким к давлению набегающего потока, что приводит к сильному развитию кавитации (малые значения числа кавитации σ) и формированию длинных каверн. Кавитационные течения, образующиеся в результате подвода газа внутрь каверны, называются искусственной кавитацией. При наличии каверны на тело действует также сила сопротивления, возникающая за счёт отрыва потока. Эта сила определяется с помощью модели идеальной жидкости. Например, при σ = 0 на длинную пластинку шириной l, поставленную поперёк потока, в расчёте на единицу длины действует сила F = πρυ2∞ l /(4 + π). Искусственная кавитация применяется в судостроении для уменьшения площади смачиваемой поверхности тела и, соответственно, снижения сопротивления вязкого трения.
Лит.: Перник А. Д. Проблемы кавитации. 2-е изд. Л., 1966; Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. М., 1974; Пирсол И. Кавитация. М., 1975; Седов Л. И. Плоские задачи гидродинамики и аэродинамики. 3-е изд. М., 1980.
А. Н. Голубятников.
При воздействии на гидромашины, кроме эрозии поверхности, кавитация вызывает повышенные вибрации и резкий шум в проточной части, а также рост гидравлических потерь, что сопровождается снижением кпд машин. Основным способом предотвращения кавитации является увеличение гидростатического давления в зоне возможного возникновения кавитационных течений, для чего проточный тракт гидромашины заглубляется относительно уровня нижнего бьефа на достаточную глубину.
В водопроводящих гидротехнических сооружениях (при обтекании входных оголовков глубинных водосбросов, пазов затворов гасителей энергии на водобое, неровностей смоченной поверхности и др.) из-за возникновения кавитации происходит отрыв потока от поверхности водопроводящего тракта и искривление его траектории, а также образование вихревых зон. Методы защиты гидротехнических сооружений от воздействия кавитации: уменьшение воздействия кавитации на элементы конструкции (совершенствование гидродинамических форм, повышение гладкости поверхности и т. п.); воздействие на структуру потока (обеспечение плавности входа и выхода потока, снижение вероятности отрыва потока, введение воздуха в зоны развитой кавитации и др.); обеспечение высокой кавитационной износостойкости облицовки водосбросов за счёт применения кавитационно-стойких материалов и улучшения технологии укладки бетона, введение специальных добавок, в особых случаях использование стальных облицовок.
Искусственная кавитация широко применяется для гидродинамической подводной очистки корпусов судов, гидротехнических и очистных сооружений, подводной части опор мостов и буровых платформ и др.
В. В. Волшаник.