КАВИТАЦИЯ

КАВИТАЦИЯ (от лат. cavitas-
пустота), образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом,
паром или их смесью (т. н. кавитационных пузырьков, или каверн). Кавитац.
пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже
некоторого критического значения рприблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной
темп-ре). Если понижение давления происходит вследствие больших местных
скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то К. наз. гидродинамической,
а если вследствие прохождения акустич. волн - акустической.

Гидродинамическая кавитация. Поскольку
в реальной жидкости всегда присутствуют мельчайшие пузырьки газа или пара,
то, двигаясь с потоком и попадая в область давления p < рони
теряют устойчивость и приобретают способность к неограниченному росту (рис.
1). После перехода в зону повышенного давления и исчерпания кинетич. энергии
расширяющейся жидкости рост пузырька прекращается и он начинает сокращаться.
Если пузырёк содержит достаточно много газа, то по достижении им миним.
радиуса он восстанавливается и совершает неск. циклов затухающих колебаний,
а если газа мало, то пузырёк захлопывается полностью в первом периоде жизни.
T. о., вблизи обтекаемого тела (напр., в трубе с местным сужением, рис.
2) создаётся довольно чётко ограниченная "кавитационная зона", заполненная
движущимися пузырьками.

Рис. 1. Кавита-ционный пузырь на торцовой
поверхности вибрирующего стержня (десятикратное увеличение).

Навигационная зона

Рис. 2. Навигационная зона в трубке
с местным сужением.

Сокращение кавитац. пузырька происходит
с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом (своего рода гидравлическим
ударом) тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырёк. Если степень
развития К. такова, что в случайные моменты времени возникает и захлопывается
множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным
спектром от неск. сотен гц до сотен и тысяч кгц. Если кавитац.
каверна замыкается вблизи от обтекаемого тела, то многократно повторяющиеся
удары приводят к разрушению (к т. н. кавитац. эрозии) поверхности обтекаемого
тела (лопастей гидротурбин, гребных винтов кораблей и др. гидротехнич.
устройств, рис. 3 и 4).

Рис. 3. Участок разрушенной поверхности
гребного винта.

Рис. 4. Всасывающий патрубок насоса,
выполненный из чугуна, со следами кавитационной эрозии.

Если бы жидкость была идеально однородной,
а поверхность твёрдого тела, с к-рым она граничит, идеально смачиваемой,
то разрыв происходил бы при давлении, значительно более низком, чем давление
насыщенного пара жидкости. Прочность на разрыв воды, вычисленная при учёте
тепловых флуктуации, равна 150 Мн/м² (1500 кг/см²).
Реальные
жидкости менее прочны. Макс, растяжение тщательно очищенной воды, достигнутое
при растяжении воды при 10 ⁰C, составляет 28 Мн/м²(280
кг/см²). Обычно же разрыв возникает при давлениях, лишь
немного меньших давления насыщенного пара. Низкая прочность реальных жидкостей
связана с наличием в них т. н. кавитац. зародышей: плохо смачиваемых участков
твёрдого тела, твёрдых частиц с трещинами, заполненными газом, мик-роскопич.
газовых пузырьков, предохраняемых от растворения мономолекулярными органич.
оболочками, ионных образований, возникающих под действием кос-мич. лучей.

При данной форме обтекаемого тела К.
возникает при нек-ром, вполне определённом для данной точки потока, значении
безразмерного параметра

где
- гидростатич. давление набегающего потока, р^н -
давление насыщенного пара, -
плотность
жидкости, Voo - скорость жидкости на достаточном отдалении от тела.
Этот параметр наз. "числом кавитации", служит одним из критериев подобия
при моделировании гидродина-мич. течений. Увеличение скорости потока после
начала К. вызывает быстрое возрастание числа кавитац. пузырьков, вслед
за чем происходит их объединение в общую кавитац. каверну, затем течение
переходит в струйное (см. Струя). При этом течение сохраняет нестационарный
характер только в области замыкания каверны. Особенно быстро струйное течение
организуется в случае плохо обтекаемых тел.

Если внутрь каверны, через тело, около
к-рого возникает К., подвести атм. воздух или иной газ, то размеры каверны
увеличиваются. При этом установится течение, к-рое будет соответствовать
числу кавитации, образованному уже не по насыщающему давлению водяного
пара p а по давлению газа внутри каверны

Всплывание такой кавитац. каверны будет
определяться т. н. числом Фруда Fr = v²/gd, где g
- ускорение силы тяжести, a d - нек-рый характерный линейный
размер. Так как рможет быть много больше рто
в таких условиях возможно при малых скоростях набегающего потока получать
течения, соответствующие очень низким значениям,
т. е. глубоким степеням развития К. Так, при движении тела в воде со скоростью
6-10 м/сек можно получить его обтекание, соответствующее скоростям
до 100 м/сек. Кавитац. течения, получающиеся в результате подвода
газа внутрь каверны, наз. искусственной К. Гидродинамич. К. может сопровождаться
рядом физико-химич. эффектов, напр, искрообразованием и люминесценцией.
В ряде работ обнаружено влияние элект-рич. тока и магнитного поля на К.,
возникающую при обтекании цилиндра в гид-родинамич. трубе.

Исследование К. и борьба с ней имеют
большое значение, так как К. оказывает вредное влияние на работу гидротурбин,
жидкостных насосов, гребных винтов кораблей, подводных звукоизлучателей,
жидкостных систем высотных самолётов и т. д., снижает коэфф. полезного
действия и приводит к разрушениям. К. может быть уменьшена при увеличении
гидростатич. давления, напр, помещением устройства на достаточной глубине
по отношению к свободной поверхности жидкости, а также подбором соответствующих
форм элементов конструкции, при к-рых вредное влияние К. уменьшается. Для
уменьшения эрозии лопасти рабочих колёс изготавливают из нержавеющих сталей
и шлифуют.

Экспериментальные исследования К. производятся
в т. н. кавитац. трубах, представляющих собой обычные гидро-динамич. трубы,
оборудованные системой регулирования статич. давления.

Лит.: Корнфельд M., Упругость
и прочность жидкостей, M.- Л., 1951 Биркгоф Г., Сарантонелло Э. Струи,
следы и каверны, пер. с англ., M. 1964; П ерни к А. Д., Проблемы кавитации
2 изд., Л., 1966; Ошеровский С. X. Кавитация в генераторах, "Энергетика
и электрификация", 1970, № 1. А. Д. Перник.

Акустическая кавитация. При излучении
в жидкость звука с амплитудой звукового давления, превосходящей нек-рую
пороговую величину, во время полупериодов разрежения возникают кавитац.
пузырьки на т. н. кавитац. зародышах, к-рыми чаще всего являются газовые
включения, содержащиеся в жидкости и на колеблющейся поверхности акустич.
излучателя. Поэтому кавитац. порог повышается по мере снижения содержания
газа в жидкости, при увеличении гидростатич. давления, после обжатия жидкости
высоким (порядка 10³ кгс/см² S 10²Мн/м²)
гидростатич.
давлением и при охлаждении жидкости, а кроме того, при увеличении частоты
звука и при сокращении продолжительности озвучивания. Порог выше для бегущей,
чем для стоячей волны. Пузырьки захлопываются во время полупериодов сжатия,
создавая кратковременные (порядка 10^-6сек) импульсы давления
(до 10³ Мн/м² =
10⁴ кгс/см²и
более), способные разрушить даже весьма прочные материалы. Такое разрушение
наблюдается на поверхности мощных акустич. излучателей, работающих в жидкости.
Давление при захлопывании кавитац. пузырьков повышается при снижении частоты
звука и при повышении гидростатич. давления; оно выше в жидкостях с малым
давлением насыщенного пара. Захлопывание пузырьков сопровождается адиабатич.
нагревом газа в пузырьках до темп-ры порядка 10^{4 0}C,
чем, по-видимому, и вызывается свечение пузырьков при К. (т. н. зауколюми-несценция).
К. сопровождается ионизацией газа в пузырьках. Кавитац. пузырьки группируются,
образуя кавитац. область сложной и изменчивой формы. Интенсивность К. удобно
оценивать по разрушению тонкой алюминиевой фольги, в к-рой кавитирующие
пузырьки пробивают отверстия. По количеству и расположению этих отверстий,
возникающих за определённое время, можно судить об интенсивности К. и конфигурации
кавитац. области.

Если жидкость насыщена газом, то газ
диффундирует в пузырьки и полного захлопывания их не происходит. Всплывая,
такие пузырьки уносят газ и уменьшают содержание газа в жидкости. Интенсивные
колебания газонаполненных пузырьков как в свободной жидкости, так и вблизи
поверхности твёрдых тел создают микропотоки жидкости.

Появление К. ограничивает возможность
дальнейшего повышения интенсивности звука, излучаемого в жидкость, вследствие
уменьшения её волнового сопротивления и соответствующего снижения нагрузки
на излучатель (см. Импеданс акустический). Акустич. К. и связанные
с ней физич. явления вызывают ряд эффектов. Часть из них, напр, разрушение
и диспергирование твёрдых тел, эмульгирование жидкостей, очистка поверхностей,
деталей, обязана своим происхождением ударам при захлопывании пузырьков
и микропотокам вблизи них. Другие эффекты (напр., инициирование и ускорение
химических реакций) связаны с ионизацией газа в пузырьках. Благодаря этим
эффектам акустическая К. всё шире используется для создания новых и совершенствования
известных технологических процессов. Большое число практических применений
ультразвука
основано
на эффекте К.

Акустич. К. имеет большое значение
в биологии и медицине. Импульсы давления, возникающие в навигационных пузырьках,
обусловливают мгновенные разрывы микроорганизмов и простейших, находящихся
в водной среде, подвергаемой действию ультразвука. К. используют для выделения
из животных и растительных клеток ферментов, гормонов и др. биологически
активных веществ.

Лит.: Бергман Л., Ультразвук
и его применение в науке и технике, пер. с нем., M., 1956; Рой H. А., Возникновение
и протекание ультразвуковой кавитации, "Акустический журнал", 1957, т.
3, в. 1, с. 3; С и-ротюк M. Г., Экспериментальные исследования ультразвуковой
кавитации, в кн.: Физика и техника мощного ультразвука, т. 2, M., 1968;
Ультразвук в гидрометаллургии, M., 1969. H. А. Рой.