ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ НА ПОРОГОВОЕ ЗНАЧЕНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭФФЕКТА КАВИТАЦИИ

Проблемы кавитации возникают при рассмотрении широкого круга вопросов, связанных с нарушением непрерывности движущихся жидкостей, от изучения кровотока в сосудах до проектирования турбин и судовых винтов. Разработка процесса кавитации началась давным-давно. Леонард Эйлер был первым, кто в своих трудах по теории гидравлических машин 1754 года объяснил возможность существования этого явления. В 1897 году английский механик, физик и инженер Осборн Рейнольдс выполнил 1-е фундаментальное исследование процесса кавитации, отслеживая его в трубчатых сужениях. В судостроении с кавитацией столкнулись в 1894 году во время испытаний британского эсминца «Дэринг». Скорость корабля была значительно снижена в тот момент, когда гребной винт резко изменил свои свойства на полной скорости. Подход к кавитационной проблеме и прикладные исследования английского инженера Чарльза Парсонса в 1897 году заложили основу для методов, используемых в последних исследованиях. Он спроектировал первое в мире судно Turbinia с паротурбинной установкой (турбина Парсонса). Первые испытания оказались неудачными, следовательно, Парсонс впоследствии изучал эту проблему в водном туннеле с помощью специального стробоскопа (и туннель, и стробоскоп были его изобретениями).

Востребованость предоставленной работы заключается в том, что на современном этапе изучений главным механизмом образования кавитации является механизм воздействия давления интенсивных паров (по-другому парообразования) на пороговое значение появления результата кавитации. Все капельные жидкости способны испаряться. Испаряемость жидкости поменьше в том случае, когда выше температура её кипения. Довольно точной колляцией испаряемости жидкости является связанность давления интенсивных паров предоставленной жидкости от температуры. Эта связанность является абсолютно определимой для примитивных жидкостей. Для многокомпонентных смесей, к которым относятся множество индустриальных жидкостей (к примеру, бензин), давление интенсивных паров может зависеть от того, в каком соотношении объемов находятся паровая и газовая фазы.

В гидравлических системах может протекать насыщенное испарение и кипение рабочих жидкостей в закрытых объемах при разных значениях давлений и температур.

Нарушение сплошности движущейся капельной жидкости, её обрыв под действием растягивающих напряжений, возникающих при разрежении в рассматриваемой точке жидкости, именуется кавитацией [1].

При обрыве капельной жидкости образуются маленькие полости, которые именуются кавитационными пузырьками либо кавернами. Они заполнены паром, газом либо их смесью. Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого скептического. Скептическое давление, при котором происходит обрыв жидкости, зависит от многих факторов: чистоты жидкости, нахождения газа, состояния поверхности, на которой появляется кавитация. На рисунке 1 предложена схема образования кавитации.

Рисунок 1 – Образование кавитации

Если давление в жидкости уменьшается в результате увеличения локальных скоростей потока капельной жидкости, то кавитация называется гидродинамической; если снижение давления происходит из-за прохождения акустических волн, то кавитация называется акустической.

Кипение жидкости, свободной от каких-либо примесей, происходит при давлении, равном давлению насыщенных паров этой жидкости [2]. Это явление называется паровой кавитацией. Образующиеся в этом случае пузырьки пара переносятся потоком в область повышенного давления, пар конденсируется, и пузырьки схлопываются. Однако поток жидкости может содержать определенное количество газа, мельчайшие пузырьки которого имеют радиус около 10-9 м, поэтому они невидимы невооруженным глазом. Эти пузырьки воздуха называются нуклонами (или эмбрионами), они уносятся потоком жидкости и, попадая в область низкого давления, начинают расти. Газ способен диффундировать через поверхность пузырька: внутрь или наружу (в зависимости от концентрации газа в пузырьке и вида жидкости, окружающей его). Это явление называется газовой кавитацией. Можно сказать, что в большинстве случаев наблюдается парогазовая кавитация. Отдельно кавитация пара и газа практически не возникает.

Если кавитационный пузырь попадает в область повышенного давления, он уменьшается в размерах и может разрушиться. Обрушение сопровождается звуковыми ударами и гидравлическими ударами, которые способны разрушить поверхность обтекаемого тела (так называемая кавитационная эрозия). Именно такое воздействие кавитации на поверхности гидравлических машин и устройств является нежелательным.

Как говорилось перед этим, появлению кавитации, т.е. наступлению момента обрыва сплошности жидкой среды, должно предшествовать понижение давления по крайней мере до значения давления интенсивных паров.

Существует две основные догадки происхождения кавитации. Согласно одной из них в воде содержатся газовые пузырьки мелких размеров. При давлении, меньшем, чем давление интенсивного пара P𝑣, внутри пузырьков появляется насыщенное выделение газа, пузырек начинает расти и после этого наступает пузырьковая кавитация. Начало роста пузырька зависит от значения соотношения его скептического размера и давления внутри пузырьков. Впрочем, при всей своей наглядности эта догадка вызывает ряд вопросов, на которые сложно ответить. Во-первых, какой состав пузырька? Если это пар, то отчего он не конденсируется при давлении P>P𝑣, а если это воздух, то отчего он не растворяется? Причину существования стабилизированных газообразных ядер видят в существовании поверхностного натяжения. Но и в данном случае остается еще не ясным, отчего пузырьки не всплывают.В связи с этим очень популярной является другая гипотеза, которая предполагает существование газовых включений в мельчайших трещинах на твердых частицах, взвешенных в жидкости, или на поверхности обтекаемых тел. До некоторого критического давления эти газовые полости удерживаются под действием перепада давлений и сил поверхностного натяжения. При данных условиях давление газа ниже, чем давление окружающей водной среды, и растворения газа не должно происходить. По мере снижения давления газ расширяется, газовая полость заполняет трещину, а затем и вовсе покидает ее.

Участь кавитационного пузырька зависит от характера течения. Пока существуют обстоятельства испарения, размеры пузырька возрастают, но как только кавитационный пузырек попадает в область повышенного давления, он начинает деформироваться и разрушаться.

Переход от пузырьковой кавитации к развитой невозможно рассматривать как беспрерывный плавный процесс постепенного накопления парогазовых включений в области пониженного давления. Слежения показывают, что это переход происходит скачкообразно. Знаком наступления развитой кавитации служит происхождение на теле устойчивой границы каверны. При дальнейшем становлении кавитационного пузыря линия передней границы каверны не претерпевает значительных изменений [3].

Таким образом, в качестве вывода стоит еще раз отметить, что пороговое значение возникновения кавитационного эффекта зависит от давления насыщенного пара. Кавитация возникает, когда гидростатическое давление во входящем потоке становится меньше или равно давлению насыщенного пара (давлению испарения), и сопровождается нарушением непрерывности потока с образованием полостей, насыщенных паром и газами, растворенными в жидкости. Несмотря на видимые негативные эффекты кавитации (как упоминалось ранее, это эрозия металлов или нежелательное повышение температуры и давления), люди все же нашли применение этому эффекту и в настоящее время активно используют кавитацию во многих сферах жизни, таких как медицина, военная промышленность (создание суперкавитации торпеды) или повседневные ситуации (гидродинамическая очистка поверхностей).