Кавитация. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Кавитация (от лат. cavitas - пустота) - образование в капельной жидкости разрывов сплошности с появлением полостей (т. н. кавитац. пузырьков), заполненных газом, паром или их смесью, в результате местного понижения давления.

Рис. 1. Навигационный пузырь на торцовой поверхности вибрирующего стержня (десятикратное увеличение).

Если понижение давления происходит вследствие возникновения больших местных скоростей в потоке движущейся жидкости, то К. наз. гидродинамической, а если вследствие прохождения акустич. волн, то акустической (см. Кавитация акустическая). Гидродинамич. К. возникает в тех участках потока, где давление понижается до нек-рого критич. давления р_кр. Минимумы давления возникают на криволинейных твёрдых телах, а при наличии сильной завихренности - и во внутр. областях жидкости. При этом присутствующие в жидкости пузырьки газа или пара (рис. 1), двигаясь с потоком жидкости и попадая в области давления р<р_кp, приобретают способность к неогранич. росту. После перехода в область, где p>p_кр рост пузырька прекращается и он начинает сокращаться. Если пузырёк содержит достаточно много газа, то по достижении им мин. радиуса он восстанавливается и совершает неск. циклов затухающих колебаний, а если мало, то пузырёк замыкается полностью в 1-м периоде жизни.

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

Т. о., вблизи обтекаемого тела создаётся довольно чётко ограниченная зона, заполненная движущимися пузырьками (рис. 2). Сокращение кавитац. пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырёк. Если степень развития К. такова, что возникает и cхлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным спектром от неск. сотен Гц до сотен кГц. Спектр расширяется в область низких частот по мере увеличения макс. радиуса пузырьков. Если бы жидкость была идеально однородной, а поверхность тела, с к-рым она граничит, идеально симметричной, то разрыв происходил бы при давлении значительно более низком, чем давление насыщенного пара жидкости, при к-ром жидкость становится метастабильной. Прочность воды на разрыв, вычисленная при учёте тепловых флуктуации, равна 1500 кг/см². Реальные жидкости менее прочны. Макс, растяжение тщательно очищенной воды, достигнутое при температуре воды 10 °С, составляет 280 кг/см². Обычно же разрыв возникает при давлениях лишь немного меньших давлений насыщ. пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них т. н. кавитац. зародышей: плохо смачиваемых участков поверхности обтекаемого тела, твёрдых частиц, частиц с трещинами, заполненными газом, микроскопич. газовых пузырьков, предохраняемых от растворения мономолекулярными органич. плёнками, ионных образований. Если кавитац. зародыш имеет форму газового пузырька радиуса R₀, содержащего водяной пар при давлении насыщения р_н, то статич. давление, при к-ром он теряет устойчивость и начинает неограниченно расширяться, выражается ф-лой

где р₀ - равновесное внеш. давление, R - радиус расширяющегося пузырька, s - поверхностное натяжение жидкости. Движение границы зародыша в предположения, что жидкость идеальна и несжимаема, а течение около пузырька сферически симметрично и изменение объёма газа происходит адиабатически, описывается ур-нием

где g - показатель адиабаты, r - массовая плотность жидкости. Решение ур-ния (2) имеет важные приложения в вопросах кипения перегретых жидкостей, акустич. кавитации, кавитац. эрозии и т. д. Гидродинамич. К. характеризуется т. н. числом кавитации

(где р_: и v_:- давление и скорость набегающего потока), к-рое служит одним из критериев подобия, моделирующих гидродинамич. течения. При моделировании наступления К. по числу ( наблюдается масштабный эффект, заключающийся в более раннем возникновении К. при испытаниях с большей скоростью или на телах больших размеров. Увеличение скорости потока после начала К. влечёт за собой более быстрое возрастание числа развивающихся пузырьков, вслед за чем происходит их объединение в общую каверну и течение переходит в струйное. Для плохообтекаемых тел, обладающих острыми кромками, струйный вид К. формируется очень быстро. Макс. площадь поперечного сечения и длина пространств, каверны при (Ъ1 приближённо обратно пропорционально (, тогда как сопротивление тела, образующего каверну, слабо зависит от (. 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 К., определяемому уже не давлением насыщ. водяного пара р_н, а давлением газа внутри каверны р_к:

Всплывание и деформация такой кавитационной каверны будут определяться Фруда числом Fr=v²_:/gd, где g - ускорение силы тяжести, a d - нек-рый характерный линейный размер. Т. к. р_к может быть много больше р_н, то 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/с можно получить его обтекание, соответствующее скоростям до 100 м/с. Кавитац. течения, получающиеся в результате подвода газа внутрь каверны, наз. искусств. К. Однако полное моделирование методом искусств. К. получить не удаётся, т. к. практически невозможно одновременно получить малые значения ( и большие Fr, а также смоделировать процесс уноса газа из каверны. Гидродинамич. К. может сопровождаться рядом физ--хим. эффектов, напр., новообразованием и люминесценцией. Обнаружено влияние электрич. тока и магн. поля на К., возникающую при обтекании цилиндра в гидродинамич. трубе. Большое практич. значение в технике имеет изучение К. в криогенных и кипящих жидкостях. Наличие К. неблагоприятно сказывается на работе гидравлич. машин, турбин, насосов, судовых гребных винтов, что заставляет принимать меры к избежанию К. Если это оказывается невозможным, то в нек-рых случаях полезно усилить развитие К., создать т. н. режим суперкавитации, отличающийся струйным характером обтекания, и, применив спец. профилирование лопастей, обеспечить благоприятные условия работы механизмов. Развитие К. в гидросистемах ракет может приводить к автоколебаниям и оказывать воздействие, напр., на продольную устойчивость корпуса ракеты. Замыкание кавитац. пузырьков вблизи поверхности обтекаемого тела часто приводит к разрушению поверхности - т. н. кавитац. эрозии (рис. 3).

Рис. 3. Участок разрушенной поверхности гребного винта.

Теория эрозионного процесса не завершена. Наиб, распространённая точка зрения на природу явления состоит в том, что оно обусловлено многократным воздействием на поверхность обтекаемого тела ударных давлений, сопровождающих схлопывание кавитац. пузырьков; окислит. процессы также играют нек-рую роль. Эксперим. исследования К. проводятся в т. н. кавитац. трубах, представляющих собой обычные гидродинамич. трубы, оборудованные системой регулирования статич. давления. Эрозионные испытания разл. материалов часто осуществляются посредством магнитострикц. вибраторов, на торце к-рых легко возбуждаются К. и сопутствующая ей эрозия.

Литература по кавитации

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.