Кавітаційний розрахунок

Матеріал з Вікі-знання або навчання 2.0 в ТНТУ
Перейти до: навігація, пошук

Кавітація – це процес порушення безперервного плину в рідині, що відноситься до сфери вивчення природничих наук (зокрема, фізики). Рух рідини порушується за рахунок утворення заповнених газом і паром порожнин, у результаті локального зниження рівня тиску рідини, під дією якого, якщо тиск досягає рівня тиску насиченого пару цієї рідини, у ній утворюється газова бульбашка.

Така зміна тиску рідини відбувається або в результаті збільшення швидкості рідини (гідродинамічна кавітація), або як наслідок проходження високо інтенсивної акустичної хвилі у півперіоді розрідження (акустична кавітація). Коли кавітаційна бульбашка переміщується потоком в зону високого тиску, або у півперіоді стиснення, він різко закривається, випромінюючи ударну хвилю.

За своєю суттю кавітація є близькою до закипання рідини, відрізняючись лише локальністю зони розрідження при кавітації, на відміну від закипання, під час якого фазовий стан рідини змінюється під дією тиску насиченої пари, середньої для всього об'єму закипаючої рідини. Також всередині кавітаційних бульбашок виділяються гази, які містяться в рідині, температура яких змінюється залежно від коливань тиску всередині бульбашки і може досягати 1500 градусів Цельсія. Крім того, концентрація кисню, розчиненого в рідині, більше ніж у повітрі, відповідно гази в кавітаційних бульбашках за хімічним складом агресивніші за повітря.

Хімічною агресією та деструктивним впливом ударної хвилі зумовлені негативні наслідки кавітації для суміжних з рідиною поверхонь: гідротурбін, веслових гвинтів, насосів. Також кавітацією пояснюється шум і вібрація, що виникає під час роботи цих механізмів.

До корисних ефектів кавітації можна віднести військові технології (надкавітаційні торпеди), кавітаційне очищення твердих поверхонь. Кавітація активно використовується для гомогенізації зважених в колоїдному розчині часток, дробіння твердих речовин (у тому числі й при нефролітіазі). Для захисту механізмів від руйнівної дії кавітації звертаються до модифікації конструкції, що попереджає кавітаційний вплив, використовують захисні покриття, системи підгодівлі.

Ефект кавітації, який активно використовується компанією Nanomix, дозволяє створювати якісні хелатні мікродобрива, що на практиці довели свою ефективність у вирощуванні усіх основних різновидів сільськогосподарських культур. Кавітація (від лат Cavitas -. Порожнеча, порожнина) (рос. кавитация, англ. cavitation, нім. Blasenbildung f, Hohlsog m, Hohlraumbildung f — утворення всередині рідини порожнин, заповнених газом, парою або їх сумішшю (кавітаційних бульбашок), тобто порушення суцільності рідини. Умови виникнення кавітації Виникає внаслідок місцевого зниження тиску в рідині до певного критичного значення ркр (в реальній рідині значення ркрблизьке до тиску насиченої пари цієї рідини при даній температурі), що може відбуватися або при збільшенні швидкості рідини (гідродинамічна кавітація), або при проходженні акустичної хвилі великої інтенсивності під час півперіоду розрідження (акустична кавітація). Гідродинамічна кавітація Оскільки в реальній рідині завжди присутні дрібні бульбашки пари або газу, то, при русі їх з потоком при потраплянні в зону тиску р < ркр, вони втрачають стійкість й починають збільшуватись у розмірах. Після переходу у зону підвищеного тиску й вичерпання кінетичної енергії рідини в умовах розширення ріст бульбашки припиняється і вона починає зменшуватись. Якщо бульбашка містить достатньо багато газу, то після досягнення нею мінімального радіуса вона відновлюється у розмірах й здійснює декілька циклів загасаючих коливань, а якщо газу мало, то бульбашка захлопується повністю у першому періоді. Отже, поблизу обтічного тіла (наприклад, в трубі з місцевим звуженням) створюється досить чітко обмежена «кавітаційна зона», заповнена рухомими бульбашками. Скорочення кавітаційної бульбашки відбувається з великою швидкістю й супроводжується звуковим імпульсом (свого роду гідравлічним ударом) тем сильнішим, чим менше газу містить бульбашка. Якщо ступінь розвитку кавітації є такою, що у випадкові проміжки часу виникає і захлопується безліч бульбашок, то явище супроводжується сильним шумом із суцільним спектром від декількох сотень Гц до сотень і тисяч кГц. Акустична кавітація При випромінюванні у рідину звуку з амплітудою звукового тиску, що перевищує деяку порогову величину, під час півперіодів розрідження виникають кавітаційні бульбашки на так званих кавітаційних зародках, якими найчастіше є газові включення, що присутні у рідині й на коливній частині акустичного випромінювача. Тому кавітаційний поріг підвищується по мірі зниження вмісту газу в рідині, при збільшення гідростатичного тиску, після обтискання рідини високим (порядку 10² МН/м²) гідростатичним тиском та при охолодженні рідини, а крім цього, при збільшення частоти звуку й при скорочення тривалості подавання звуку. Поріг є вищим для біжучої, ніж для стоячої хвилі. Бульбашки захлопуються під час півперіодів стискання, створюючи короткочасні (порядку 10-6 с) імпульси тиску (до 10³ МН/м² і вище), що здатні спричинити руйнування навіть міцних матеріалів. Тиск при захлопуванні кавітаційних бульбашок підвищується зі зниженням частоти звуку та при підвищені гідростатичного тиску; він є вищим в рідинах з малим тиском насиченої пари. Захлопування бульбашок супроводжується адіабатичним нагріванням газу в бульбашках до температури порядку 104 °С, його іонізацією, чим, напевно, і викликається світіння бульбашок при кавітації (звуколюмінесценсія). Кавітаційні бульбашки групуються, утворюючи кавітаційну зону складної і мінливої форми. Інтенсивність кавітації зручно оцінювати за руйнуванням тонкої алюмінієвої фольги, в якій кавітаційні бульбашки пробивають отвори. За кількістю й розташуванням цих отворів, що виникають протягом певного періоду часу, можна оцінювати інтенсивність та конфігурацію зони кавітації.

Особисті інструменти
реклама