Кавитация
Кавитация — явление образования в жидкости небольших и практически пустых полостей (каверн), которые расширяются до больших размеров, а затем быстро разрушаются, производя резкий шум. Кавитация происходит в насосах, винтах, рабочих колесах (гидротурбинах) и в сосудистых тканях растений.
Содержание
Общие сведения
Во многих источниках физика этого явления объясняется следующим образом. Физический процесс кавитации близок процессу закипания жидкости. Основное различие между ними заключено в том, что при закипании изменение фазового состояния жидкости происходит при среднем по объёму жидкости давлении равном давлению насыщенного пара, тогда как при кавитации среднее давление жидкости выше давления насыщенного пара, а падение давления носит локальный характер.
Однако более поздние исследования показали, что ведущую роль в образовании пузырьков при кавитации играют газы, выделяющиеся внутрь образовывающихся пузырьков. Эти газы всегда содержатся в жидкости, и при местном снижении давления начинают интенсивно выделяться внутрь указанных пузырьков.
Поскольку под воздействием переменного местного давления жидкости пузырьки могут резко сжиматься и расширяться, то температура газа внутри пузырьков колеблется в широких пределах, и может достигать нескольких сот градусов по Цельсию. Имеются расчётные данные, что температура внутри пузырьков может достигать 1500 градусов Цельсия. Следует также учитывать, что в растворённых в жидкости газах содержится больше кислорода в процентном отношении, чем в воздухе, и поэтому газы в пузырьках при кавитации химически более агрессивны, чем атмосферный воздух — вызывают в итоге окисление (вступление в реакцию) многих обычно инертных материалов.
Вредные последствия
Химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает эрозию материалов, с которыми соприкасается жидкость, в которой развивается кавитация. Эта эрозия и составляет один из факторов вредного воздействия кавитации. Второй фактор обусловлен большими забросами давления, возникающими при схлопывании пузырьков и воздействующими на поверхности указанных материалов.
Кавитационная эрозия металлов вызывает разрушение гребных винтов судов, рабочих органов насосов, гидротурбин и т.п., кавитация также является причиной шума, вибрации и снижения эффективности работы гидроагрегатов.
Шум, создаваемый кавитацией, является особой проблемой на подводных лодках, так как снижает их скрытность. Эксперименты показали, что вредному, разрушительному воздействию кавитации подвергаются даже химически инертные к кислороду вещества (золото, стекло и др.), хотя и намного более медленному.
Кавитация ведёт к большому износу рабочих органов и может значительно сократить срок службы винта и насоса. В метрологии, при использовании ультразвуковых расходомеров, кавитационные пузыри модулируют волны в широком спектре, в том числе и на частотах излучаемых расходомером, что приводит к искажению его показаний.
Полезное применение кавитации
Явление кавитации применяют в технике и в медицине для совершенствования технологических процессов:
- в сверхкавитационных торпедах (Торпеды обволакиваются в большие кавитационные пузыри. Это существенно уменьшает контакт с водой, что позволило торпедам двигаться гораздо быстрее);
- в технологии ультразвуковой очистки поверхностей твёрдых тел,
- в технологических процессах гомогенизации смесей в промышленных смесителях,
- в измельчителях твердых включений в тяжёлые топлива,
- в генераторах водно-мазутных и водно-топливных эмульсий и смесей,
- в устройствах для снижения вязкости углеводородного топлива,
- в медицине для уничтожения камней в почках (литотрипсия), лечения целлюлита, ультразвуковой липосакции и др.
Литература и источники информации
https://studopedia.net/10_146034_kavitatsiya-i-superkavitatsiya.html
Галерея изображений
Кавитация на подводном крыле
Кавитация на гребном винте
Cверхкавитационная торпеда "Шквал"
