Эффекты кавитации

Кавитация вызывает ряд эффектов, которые могут быть разделены на первичные и вторичные. К первичным эффектам гидродинамической кавитации, возникающим в местных сопротивлениях, можно отнести:

· повышение давления вследствие захлопываний кавитационных каверн, сопровождающихся гидравлическими ударами;

· излучение звуковых импульсов (различной интенсивности и частоты);

· повышение температуры в зоне захлопывающихся каверн;

· конденсацию паров жидкости в зоне повышенного давления;

· дегазацию жидкости вследствие понижения давления в кавитационной зоне;

· люминисценцию – свечение кавитационной областм вследствие развития высоких давлений и температур в микрообъемах захлопывающихся каверн;

· изменение электрической проводимости;

· изменение коэффициента теплоотдачи и другие явления и эффекты.

К вторичным эффектам кавитации, обычно приводящим к разрушению или к изменению структуры материала стенок, ограничивающих поток или взаимодействующих с потоком, можно отнести: механическое разрушение, тепловое (температурное) разрушение, окисление (восстановление), т.к. в зоне кавитации изменяются электрический и химический потенциалы, вызывающие повышение химической активности среды и другие эффекты, например, изменяется динамика диффузионных процессов.

На основании указанных физических проявлений кавитации используются те или иные методы изучения и развития кавитации.

Изучение влияния различных эффектов кавитации на характеристики гидросистемы позволяет правильно выбрать методы защиты, например, материала от эрозии или теплового разрушения.

 

ТЕМА 2. КАВИТАЦИЯ В МЕСТНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЯХ

 

В зависимости от пограничной геометрии потока кавитационные явления в местных сопротивлениях могут подразделяться на два основных типа: профильную кавитацию (или поверхностную) и срывную (или отрывную).

Профильная кавитация наблюдается на хорошо обтекаемых поверхностях элементов местных сопротивлений. Этот вид кавитации имеет место в трубах, расходомерных устройствах типа трубы Вентури, в каналах рабочих участков гидравлических агрегатов.

Срывная кавитация возникает в основном в вихрях за плохо обтекаемыми элементами гидравлических устройств. В сложных местных сопротивлениях (например, запорные и регулирующие агрегаты и устройства) одновременно могут существовать оба вида кавитации, влияя друг на друга и создавая специфические типы кавитации.

Формы кавитации. Как профильная, так и срывная кавитации могут иметь различные формы кавитационных каверн в зависимости от геометрии обтекаемого элемента и параметров течения.

Исследования показывают, что профильная кавитация в основном имеет три формы - пузырьковую, пленочную и так называемую эшелонную, а срывная кавитация – вихревую форму.

Пузырьковая форма кавитации характеризуется ростом, сокращением и схлопыванием почти сферических каверн, зарождающихся на входной кромке местного сопротивления, и проносящихся по разным траекториям через зону пониженного давления.

Пленочная (слоистая) форма кавитации представляет собой стационарную каверну, как бы прилипшую в виде тонкого слоя по периметру сжатого сечения в каком-либо элементе местного сопротивления, например, в насадке. При этом хвостовая часть каверны пульсирует, периодически отрывается и уносится потоком.

Эшелонная (или присоединенная) форма кавитации характеризуется тем, что близко идущие друг за другом схлопывающиеся почти сферические каверны расположены на одной траектории, начинающейся в некоторой неподвижной точке трубного элемента. Эти каверны образуют в среднем стационарную кавитационную область.

Вихревая форма кавитации представляет собой дискретно следующие с потоком вихри, на осях которых возникают и развиваются кавитационные каверны, не прилегающие к поверхности обтекаемого элемента.

В различных типах гидравлических устройств при обтекании системы местных сопротивлений возможно существование и других форм кавитации, определяемых разнообразным сочетанием условий и параметров процесса.

В зависимости от геометрии обтекаемого элемента и режимов течения кавитационная каверна может иметь различную форму и протяженность, может схлопываться как на самом элементе, т.е. в пределах данного местного сопротивления, так и за ним.

В тех случаях, когда каверна схлопывается на самом обтекаемом элементе или в пределах данного местного сопротивления, этот вид течения называется кратко – кавитацией. Этот режим кавитации является наиболее опасным для работы гидравлических систем, т.к. в результате схлопывания каверн возникают вибрации, шумы, а поверхности твердых тел подвергаются эррозийному разрушению.

Если же образовавшиеся в области пониженного давления пузырьки, заполненные газом и паром, сливаются в обширную каверну (суперкаверну), которая распространяется по течению на расстояние, превышающее местное сопротивление в несколько раз, то такой вид течения называется суперкавитацией.

В зависимости от величины давления за местным сопротивлением суперкаверна может заканчиваться в каком-либо месте трубопровода или гидравлической системы, т.е. происходит конденсация пара, заполняющего каверну, или вовсе не заканчиваться, а продолжаться далее по течению. В этом случае за местным сопротивлением наблюдается течение двухфазного потока без последующей конденсации.

При суперкавитации шумы и вибрации значительно ослабляются, а эррозия в самом местном сопротивлении практически отсутствует. Она может наблюдаться в том месте, где заканчивается суперкаверна.

На современном уровне исследования кавитации различают паровую кавитацию и газовую. Термином паровая кавитация принято обозначать кавитационные процессы, связанные с с ростом и схлопыванием каверны вследствие потери устойчивости зародышевого пузырька.

Газовой кавитацией называют медленный рост пузырьков, сопровождающийся диффузией газа в пузырек из раствора (газосодержащая жидкость представляет собой раствор, слабый раствор, где растворителем является жидкость, а расворенным веществом является газ).

Давления, при которых возникают газовая и паровая кавитации, могут быть определены следующим образом:

газовая кавитация Р_кав.г = Р_н + Р_г – f(2σ/R₀) (5)

паровая кавитация Р_кав.п = Р_н – f(2σ/R₀) (6)

где 2σ/R₀ – капиллярное давление или давление поверхностного натяжения.

Сопоставляя эти выражения, можно сделать вывод, что давление в кавитацонной каверне при паровой кавитации (Р_кав.п ) всегда ниже давления насыщенных паров жидкости, а давление при газовой кавитации (Р_кав.г) превышает Р_н тем больше, чем выше давление насыщающего жидкость газа (Р_г).