О начальных стадиях вихревой гидродинамической кавитации

Изначально, согласно суждению Осборна Рейнольдса, Зельдовича и других классиков, под кавитацией понимается разрыв жидкости под действием растягивающих напряжений. Для того чтобы в воде образовалась полость радиусом Rc = 1010 м, необходимо иметь отрицательные давления порядка pCr = 2 c/R0 в точке разрыва межмолекулярных связей. Для воды с температурой t = 17°C показатель поверхностного натяжения на границе раздела вода-воздух составляет c = 0,07334 Н/м; таким образом, значение отрицательного давления должно составлять pCr = 1,467 • 109 Па.

Настоящие жидкости теряют непрерывность при гораздо меньших растягивающих напряжениях. Для создания конкурентной фазы мы были довольны печатью pCr = 2 • 103 - 1 • 106 Па, что соответствует давлению интенсивных паров жидкости порядка. Низкая прочность жидкостей на разрыв была вызвана структурными дефектами. Другими словами, жидкости (это относится исключительно к воде) содержат довольно большое количество внутренних дефектов в виде неоднородностей, предпочтительно микропространств, заполненных парами и газами жидкости, а также твердыми частицами, содержащими адсорбированные газы. Доказательства наличия дефектов в жидкости показали повышение скептического давления, что согласуется с использованием специально подготовленных образцов жидкости. При очистке дистиллированной воды с помощью бактерицидных фильтров определенное количество раз и комплексном сжатии в течение нескольких дней при давлении = 1•107 Па [1].

Следовательно, кавитация и кипение понимались как формирование конкурентной фазы - не истинного нарушения непрерывности жидкости, а роста существующих полостей парового газа, часто называемых ядрами, кавитационными или кипящими зародышами. Кстати, стабильная температура кипения воды при атмосферном давлении не является доказательством постоянства ее прочностных свойств, а служит доказательством наличия большого количества устойчивых микробов, которые теряют свою устойчивость и начинают расти при температуре 100°С.

Величина кавитационной прочности жидкости представляет интерес в нескольких областях науки, техники и технологии: гидродинамика, гидроакустика, химическая технология, металлургия, медицина и ядерная физика. Кавитацию легче всего наблюдать оптическими методами, визуально. Несмотря на высокую степень наглядности, оптические методы изучения кавитационных явлений имеют ряд недостатков. Во-первых, только достаточно развитые стадии можно увидеть, сфотографировать и даже просканировать лазерным лучом, поскольку на начальных стадиях, когда явления кавитации носят единичный характер, оптические изменения незначительны. Во-вторых, визуализация (например, лопастей, вращающихся с достаточно высокой частотой) возможна только в прозрачных жидкостях. Даже в обычной водопроводной воде при использовании лазерных и ксеноновых осветителей наблюдается интенсивное рассеяние на взвешенных твердых частицах, создающее специфическую дымку на фотографиях, маскирующую кавитационные полости. В-третьих, использование даже цифрового оборудования в оптических исследованиях сопряжено со значительными временными затратами на обработку и анализ. На рис. 1, 2, в качестве иллюстрации возможностей оптического метода регистрации гидродинамической кавитации, показаны изображения, заимствованные из [2]. 

  Рис. 1. Кавитация на подводном крыле           

         Рис. 2. Кавитация на модели судового винта

Действительно, методы исследования, основанные на использовании акустического излучения, сопровождающего явления кавитации, в качестве информативной ценности, лишены всех вышеперечисленных недостатков.

Акустические свойства кавитации при соответствующей обработке чрезвычайно информативны при рассмотрении кавитационных процессов, особенно на начальных этапах, когда другие методы отслеживания еще не обнаружили следов кавитации. Запись акустического сигнала позволяет записывать микроимпульсы звукового давления, вызванные закрытием отдельных полостей.

В подавляющем большинстве работ, опубликованных на сегодняшний день, акустические свойства кавитационного излучения изучались с помощью гидротурбин или путем моделирования течения тел в кавитационных трубах [3-4].Давайте сначала рассмотрим акустические свойства турбулентного режима движения, когда разрывы в непрерывности рабочей жидкости не отслеживаются. Система спиц, вращающихся во перемешиваемом объеме, создает периодические разрежения и сжатия, частота которых равна произведению угловой скорости вращения y на количество его лопастей: zb: = br ω = nnz2zf b. Возникающие в результате периодические изменения давления называются звуком вращения [5].

Акустическая обстановка в исследуемом объеме резко меняется с возникновением гидродинамической кавитации. Сферические сердечники в объеме, заполненном паром и газом, начинают увеличивать свой объем в области вихревого движения, когда они входят в зону низкого давления. Особенно интенсивное вихревое движение происходило за задней частью обтекаемых пластин. На рисунке 3 показана картина кавитационного обтекания двухлопастной системы с типичным расположением прямоугольных пластин в плоскости их вращения. Кавитация имела развитую стадию, наряду с одиночными кавитационными полостями, кавитационные полости уже присутствовали в центре нижних вихрей.

Рис. 3. Кавитационное обтекание вращающихся пластин

В водопроводной воде, перенасыщенной газовыми сердечниками, преобладала газообразная форма. Другими словами, заполненные газом ядра подвергались быстрому росту при входе в зону низкого давления, а после выхода из вихревого ядра они начинали пульсировать со своей собственной частотой.

Эти данные хорошо согласуются с результатами работ, что указывает на перспективный метод акустических измерений для понимания гидродинамической кавитации в вихревых токах.