Кавитация — образование пузырьков в жидкости¶

Кавитация — процесс образования и последующего схлопывания пузырьков (кавитационных полостей) в жидкости при локальном снижении давления ниже давления насыщенного пара. Явление сопровождается механическими, тепловыми и химическими эффектами и наблюдается в гидравлических машинах, трубопроводах, морских винтах, акустических системах и медицинских аппаратах.

¶Механизм возникновения

Жидкость теоретически способна выдерживать значительное растягивающее напряжение, однако на практике она разрушается при гораздо меньших отрицательных давлениях из-за наличия зародышей газа — центров кавитации. Ими служат микропузырьки растворённого газа, твёрдые включения, стенки сосуда.

Кавитация возникает, когда локальное давление в потоке падает ниже давления насыщенного пара жидкости. Это происходит при ускорении потока по закону Бернулли: в сужающих устройствах (соплах, лопастях насосов, за кромкой винта) скорость растёт, статическое давление падает. Критическим параметром является число кавитации:

σ = (p∞ − pv) / (ρv²/2),

где p∞ — удалённое давление, pv — давление насыщенного пара, ρ — плотность жидкости, v — характерная скорость. Кавитация начинается при σ ниже критического значения σкр, зависящего от геометрии потока.

¶Виды кавитации

• Газовая — выделение растворённого газа при снижении давления; обратима, пузырьки сжимаются при повышении давления.
• Паровая (истинная) — испарение жидкости с образованием паровых полостей; при схлопывании возникают ударные волны и локальные всплески температуры.
• Смешанная — сочетание обоих механизмов.
• Акустическая — вызвана ультразвуковыми колебаниями давления в жидкости; применяется в лабораторной и промышленной обработке.
• Оптическая (лазерная) — возбуждается сфокусированным лазерным излучением; используется в исследованиях.

По характеру течения различают также кавитацию сквозную (полости выносятся потоком в зону повышенного давления и схлопываются) и неполную (пузырьки колеблются, не разрушаясь).

¶Разрушительное действие

При схлопывании кавитационного пузырька вблизи твёрдой поверхности возникает струйка, движущаяся со скоростью до нескольких сотен м/с, и локальное давление до 10³ МПа. Это приводит к:

• Эрозии — постепенному разрушению металла лопастей, рабочих колёс, стенок труб. Повреждения имеют вид раковин и кратеров, поверхность приобретает «шагрёный» вид.
• Вибрации и шуму — пульсация давления от массового схлопывания пузырьков создаёт широкополосный шум с характерным «трещащим» тембром.
• Снижению КПД — нарушение сплошности потока увеличивает гидравлические потери.

Скорость эрозии зависит от материала: мягкие и пластичные металлы разрушаются медленнее, чем хрупкие. Сталь, латунь и бронза ведут себя по-разному; для защиты применяют эрозионностойкие покрытия, подбор режимов работы и аэродинамические профили лопастей.

¶Применение

Несмотря на разрушительный характер в гидромашинах, кавитация широко используется технологически:

• Кавитационные гомогенизаторы и мельницы — распыление и диспергирование жидких сред, получение наноэмульсий.
• Ультразвуковая очистка — схлопывание пузырьков на поверхности деталей удаляет загрязнения; применяется в ювелирной, медицинской и электронной промышленности.
• Кавитационные реакторы — интенсификация массообменных и химических процессов, дегазация жидкостей.
• Гидродинамическая обработка — кавитационная струйная очистка поверхностей, резка и эрозия материалов.
• Медицина — литотрипсия (дробление камней в почках ударно-волновыми методами, связанными с кавитацией), кавитационный ультразвуковой скальпель, липосакция.
• Судостроение — изучение кавитации необходимо для снижения шума винтов военных кораблей и предотвращения их эрозии.

¶Кавитация в природе

Явление наблюдается у морских животных: креветка-пистолет (Odontodactylus scyllarus) при ударе клешнёй создаёт кавитационный пузырь, схлопывание которого сопровождается световым вспышкой (сонолюминесценцией), локальным нагревом и ударной волной. Механизм используется для оглушения добычи. У бычковых рыб кавитация возникает при быстром смыкании жаберных крышек и используется как звуковой сигнал.

¶Исследования в России

Изучением кавитации в СССР и России занимались школы академиков Н. Н. Ковалёвского, Л. Г. Лойцянского и В. П. Прокопова. Институт гидродинамики Сибирского отделения РАН ведёт фундаментальные исследования кавитационных течений и разрушительного действия пузырьков. Российские учёные внесли вклад в теорию динамики одиночного пузырька (уравнение Рейлея — Плессета) и моделирование скважинной кавитации при бурении.

Источники:

• Прокопов В. П. Кавитация и кавитационные машины. — Киев: Наукова думка.
• Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. — М.: Дрофа.
• Башта Т. М., Руднев С. С. Гидравлика, гидромашины и гидропривод. — М.: Транспорт.
• Научные статьи Института гидродинамики СО РАН по кавитационным течениям.