ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВИХРЕВОЙ ПРИСОЕДИНЁННОЙ КАВИТАЦИИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ

Для начала необходимо дать определение термину «кавитация». Он – это самое нежелательное явление в инженерных сетях. Из-за нее способны происходить шумы, непроизвольные звуки водяных ударов, повреждения важных узлов труб, которые дают возможность жидкости передвигаться в пространстве, иной арматуры, насосов и так далее [3].

Кавитация есть ни что иное, как явление, при котором в потоке воды и других подобных веществ, образуются пузырьки, имеющие оболочку снаружи, но данные объекты выглядят пустыми изнутри. Однако если углубиться в их содержимое, то можно обнаружить пар или газ. Создаются в основном в трубах под давлением. Оно резко понижается на определенных участках потока – так и происходит явление, названное кавитацией.

Пузырьки с небольшим давлением приступают к перемещению в область с увеличенным. Там они разрушаются, создавая ударную волну, что сопровождается высвобождением энергии. Так и происходят непонятные для обычных людей удары и шумы в трубопроводных агрегатах [3].

Сама кавитация, как уже упоминалось выше зависит от распределения давления. То есть нормально ли будет работать агрегат или нет – зависит от скорости потока воды в оборудовании. Для несжимаемой идеальной жидкости имеется формула или уравнение Бернулли, которое имеет следующий вид [2]:

Сам процесс кавитации может негативно и положительно сказываться на работе технологического оборудования. Такие различия в оценке пользы или вреда указанного явления связаны со следующим [2]:

- процесс появления паровых и газовых активаций в потоке жидкости приводит к увеличению гидравлических сопротивлений и понижению расхода водяных веществ при неизменной смене давлений;

- упомянутая выше система в течении способна иметь следующие формы: цепочка пузырьков, наполненных газом и паром, которые уносятся потоком или в виде более большой и устойчивой каверны. Последняя, появившись в каком-либо месте продолжает существовать на данной же местности пока агрегат функционирует;

- исчезновение упомянутых выше образований не осуществляется в связи с фиксированностью пузыря. Всё потому что при уменьшении радиуса, как следствие работы мощностей поверхностного натяжения, в нем сильно увеличивается давление. Взрыв пузыря под влиянием вибраций воздействия в течении становится нереальным. Количественно данные эффекты определяются расчётами по формуле:

Именно от того, как лопнет пузырь, зависит положительно ли кавитация влияет на процесс работы технологического оборудования или отрицательно. Исчезновение парогазовой фазы происходит [1]:

1. На границе контакта с твердым телом. Это могут быть стенки канала, детали оборудования, твердые частицы в потоке воды;
2. На свободной границе раздела фаз. Данное происходит в местах прямого возможного контакта с внешней средой.

Разобравшись в том, что же такое кавитация, в её образовании, процессе действия, положительных и отрицательных свойствах, необходимо перейти к иным терминам, касающимся данного явления. Существует такая разновидность указанных явлений, как вихревая присоединенная. О ней и поговорим подробнее.

Вихревая кавитация формируется в ядрах воронок, которые создаются на свободных концах лопастей осевых колес. Подобное явление практически не имеет контакта с поверхностью. Сам образующийся вихрь способен вообще не дотрагиваться до какой-либо плоскости до того, как его интенсивность станет замедляться и каверны схлопнутся. Исходя из этого можно сделать вывод, что в указанном случае влияние кавитации на поверхностное трение должно быть чересчур малым [3].

Вихревая кавитация была обнаружена раньше, чем все остальные различных разновидности упомянутого явления. Всё из-за того, что она часто появлялась на концах лопастей гребных винтов. Отсюда и второе название данного явления – концевая кавитация. Она появляется не на поверхности тела и не вблизи его, а на границе зоны отрыва потока.

Пусть даже вихревая кавитация и была обнаружена раньше остальных типов явления, однако изучение её разрушения не считается достаточно подробным и точным. Исследователи до сих пор проводят различного рода эксперименты, чтобы понять, указанный вид кавитации приносит в большинстве случаев вред или положительные моменты в работе технологического оборудования.

При вихревом явлении каверны обнаруживаются в центре воронок. Они создаются в зонах, где есть большие напряжения, сделанные при помощи касания. В указанном случае каверны способны оказаться перемещающимися или присоединенными [3].

Подробнее о данных типах кавитации. Для начала приведем пример вихревого явления. В положительном ключе оно проявляется следующим образом: с выходных кромок лопастей способны сходить свободные вихри, которые можно наблюдать на больших расстояниях за выходными каналами. В указанном случае кавитация не наносит вред агрегату.

Однако исследователи заметили также, что данное явление в зазоре у концов лопастей производит разрушение объекта со стороны низкого давления на небольшом радиальном расстоянии от конца. Это и есть присоединенная каверна. Зона разрушения появляется в ожидаемом местоположении. Вероятно, нечто похожее способно осуществляться и в выходных каналах, если ядро свободного вихря взаимно работает со стенками путей машины [3].

Исходя из вышеуказанного можно сделать вывод, что концевая присоединенная кавитация наносит исключительно вред технологическому оборудованию. Она осуществляется в том случае, когда схлопывание каверн происходит на поверхности тела или на небольшом расстоянии от нее.

Хорошим примером может послужить кавитация, обнаружившаяся во время функционирования направляющего пирсового гасителя волн при открытом водосбросе. Концевое явление в частях отрыва течения от тупых предметов способно быть предварительной стадией создания присоединенной каверны. Оно может также появляться на границе затопленных струй.

Вихревая присоединенная кавитация формируется вдобавок в сферах, где есть большие поперечные градиенты скорости, достаточные для поддержания вихрей, в ядре которых абсолютное давление падает до критической величины. Можно сказать, что подобное явление способно существовать намного дольше, чем все остальные типы действа. Всё потому что вихрь создаёт момент количества движения, который увеличивает время существования каверны даже в том случае, когда масса водяных веществ перемещается в зону с более высоким давлением [3].

На сегодняшний день для описания кавитации имеются разнообразные математические и аналитические модели с применением методов компьютерного моделирования. Они дают возможность определить, при каких условиях появляется данное явление, произвести расчёты величины звукового давления и иных параметров. Также компьютерное моделирование способно обнаружить проблемы в клапанах и других компонентах трубопроводных систем, к которым приводит кавитация. Что же это такое?

Моделирование данного явления – это тип вычислительной гидродинамики, который представляет собой поток воды и иной жидкости во время процесса кавитации. Оно охватывает большой объём применений. Может использоваться в подсчётах таких технологических оборудованиях, как насосы, водяные турбины, индукторы и кавитация топлива в отверстиях, которые обычно встречаются в системах впрыска вещества [4].

Усилия по моделированию реально разделить на две большие категории [4]:

- модель переноса пара. Они идеально подходят для кавитации крупных масштабов. К ней относятся пластовое явление. Она часто происходит на рулях и винтах. Указанные модели включают двусторонние взаимодействия между фазами;

- дискретная пузырьковая модель. Она включает в себя воздействие окружающей жидкости на прозрачные объекты. Дискретные модели пузырей описывают соотношение между внешним давлением, радиусом шарика и скоростью, ускорением его оболочки.

Данные моделированные процессы исследуются многими учеными, в особенности в Соединённых Штатах Америки. Именно на этой территории были созданы компьютерные модели, в которых употреблялись теоретические методы вычислительной гидродинамики. Исследователи продемонстрировали процессы, которые появляются вследствие прохождения турбулентного потока через разнообразные конфигурации управляющих клапанов и узлов.

Первый способ применения метод вычислительной гидродинамики при компьютерном моделировании функционирования кавитации – создание математической модели. По ней рассчитывается величина давления в отдельно взятых областях турбулентного потока. Указанная модель способна продуктивно применяться для оценивания вероятности проявления кавитации, но не берет в расчёт стихийность ее возникновения в отдельной точке [4].

Второй способ – модель колебаний давления. Она употребляет приближенные значения скорости и плотности вещества. Данные явления применяются для расчёта давления в каждой точке исследуемой области. Указанный способ продемонстрировал себя наиболее эффективным. Он это сделал в случаях, когда разница давления на разнообразных участках потока сильна [4].

Исходя из вышеописанного, можно сделать вывод, что, при сравнении значений результатов компьютерного моделирования процессов появления кавитации по методам вычислительной гидродинамики с фактическими значениями, данные методики способны успешно употребляться для описания упомянутого явления при различных конфигурациях трубопроводных систем.

Самым распространенным способом исследования вихревой присоединенной кавитации является первый. Благодаря ему можно понять, где, как и почему образуется данное действо.