Кавитационные пузырьки

Кавитационная эрозия наблюдается на поверхности твердых тел при схлопывании пузырьков, т. е. в области высокого давления в системе. При гидродинамической кавитации это происходит не в той области, где образуются пузырьки, а при вибрационной кавитации положение области разрушения зависит от того, сопровождается ли вибрация течением жидкости (как, па-пример, в гидравлических насосах) или нет. Следовательно, область разрушения часто пространственно удалена от области, в которой возникают кавитационные пузырьки, и это нередко приводит к тому, что кавитационную эрозию путают с другим процессом (чаще всего с коррозией). Подробно различные источники механического разрушения описаны в главе Мёрча и более кратко - ниже.[ ...]

Кавитационные пузырьки наблюдались при ударе капли как на контактной поверхности, так и на задней поверхности капли . Возникновение пузырьков на задней поверхности капли было приписано отражению волны сжатия от свободной поверхности как волны растяжения, а на контактной поверхности - вееру волн растяжения, которые, как известно, сопровождают сферическую волну сжатия. Высказывалось также предположение, что некоторые каверны на поверхности представляют собой пузырьки воздуха, захваченные жидкостью при ударе. Наблюдалось схлопывание пузырьков как вдали от поверхности твердого тела, так и на самой поверхности (рис. 6). Кроме того, схлопывание пузырьков на поверхности может явиться одной из причин образования неглубоких впадин, которыми отмечено начало эрозионного разрушения металлов .[ ...]

Кавитационное изнашивание металла происходит в результате воздействия на его поверхность микроударных нагрузок, возникающих при образовании и захлопывании кавитационных полостей и пузырьков. При замыкании кавитационных пузырьков поверхность металла испытывает значительные по величине многократные микро-Ударные воздействия, приводящие к возникновению усталостного разрушения пластичных зон и выкрашиванию хрупких составляющих на рабочей поверхности детали. Присутствие коррозионно-активной среды интенсифицирует процессы микроусталостного разрушения и электрохимического растворения металла.[ ...]

В действительности кавитационные пузырьки содержат пар низкого давления, который конденсируется во время охлопывания каверны. Поэтому механика схлопывания скоплений каверн тесно связана с механикой схлопывания пузырьков газа в жидкостях, подвергающихся воздействию сильных ударных волн, хотя сами пузырьки газа вряд ли являются источниками ударных волн, как это имеет место при схлопывании кавитационных пузырьков.[ ...]

Киносъемка показала, что кавитационный пузырек может вырасти за 0,002 с до 5 мм в диаметре и полностью разрушиться за 0,001 с. При интенсивной кавитации на площади 1 см2 в течение 1 с могут образоваться и разрушиться более 30 млн. кавитационных пузырьков. Воздействие на поверхность может быть столь значительным, что появляются глубокие каверны, впадины вследствие разупрочнения и перенаклепа материала с образованием очагов разрушения в виде микротрещин. Разрушается прежде всего менее прочная структурная составляющая (в сталях -■ феррит; в чугунах - графитовые включения), затем может последовать выкрашивание и более прочных составляющих.[ ...]

В проведены измерения параметров кавитационных пузырьков в стадиях разрежения и сжатия. Так, в стадиях максимального роста диаметр образующихся пузырьков составляет величину d=80± 10 мкм (в ходе экспериментов фиксировались пузырьки от 50 до 120 мкм). Линейные размеры полости в стадии замыкания (сжатия) в 3,8 раза меньше.[ ...]

Эллис сфотографировал схлопывание скоплений кавитационных пузырьков, образовавшихся при акустической кавитации. Он создавал почти полусферические скопления каверн на поверхности оптически поляризованного материала путем возбуждения стоячих волн большой частоты в цилиндрическом сосуде, наполненном водой, и показал, что в каждом цикле колебаний развивается и схлопывается скопление каверн. Пользуясь для освещения поляризованным светом, Эллис смог установить по смещению интерференционных полос в материале, что при схлопывании скопления пузырьков возникает крайне высокое давление на относительно небольшую площадку поверхности вблизи центра скопления, где схлопывается последняя каверна, и в момент ее схлопывания возникает импульс давления.[ ...]

Кавитацию можно также применять, используя свойство кавитационных пузырьков развивать при схлопывании очень высокое давление, а также малые размеры пузырьков, благодаря которым высокое давление развивается в очень малой области. Это свойство можно использовать как при чистке крупных предметов, например труб, так и мелких, например зубов.[ ...]

Ни кипение, ни газовая кавитация не имеют отношения к эрозии. Кавитационная эрозия связана со схлопыванием кавитационных пузырьков. Они образуются там (или тогда), где (или когда) давление падает ниже некоторой критической величины, обычно несколько меньшей давления насыщенных паров жидкости. Такие снижения давления на практике возникают из-за сужения или искривления трубок тока (в случае гидродинамической кавитации) или из-за движения поверхности раздела между жидкостью и твердым телом в направлении нормали к поверхности (в случае вибрационной кавитации). В большинстве случаев эти минимумы давления возникают на твердых границах или вблизи них, где кавитация развивается из ядер, имеющихся в жидкости или на стенке, ограничивающей жидкость, но она может развиваться также и вдали от твердых стенок.[ ...]

Испытание с вращением образцов можно приспособить для изучения кавитационной эрозии: от отверстий на периферии диска отрываются кавитационные пузырьки, а образцы помещаются в точках схлопывания этих пузырьков .[ ...]

Открытие в 1991 г. явления устойчивого синхронного колебания одиночного кавитационного пузырька в фокусированном акустическом поле поставило ряд новых вопросов о природе кавитации. Одиночные кавитационные пузырьки можно наблюдать только в фокусированном сферическом или цилиндрическом поле. Резонансное поглощение акустической энергии одним кавитационным пузырьком вызывает высокую скорость (до 1300 м/с) движения его стенки. Эффекты, вызванные одиночным кавитационным пузырьком, значительно отличаются от ’’обычной" многопузырьковой кавитации . Если спектр сонолюминесценции "обычных" пузырьков имеет длину волны от 800 до 200 нм и по интенсивности может иметь несколько максимумов, то однопузырьковое свечение простирается от видимой до УФ-области. Его интенсивность непрерывно возрастает по мере уменьшения длины волны и напоминает свечение черного тела. Причем однопузырьковое свечение можно наблюдать неадаптированным глазом.[ ...]

Цель этой главы - дать читателю всестороннее представление о динамике кавитационных пузырьков и о гидромеханических проблемах, связанных с кавитацией. Значительное внимание уделено росту и схлопыванию одиночных пузырьков. Хотя во встречающихся на практике кавитационных явлениях редко возникают одиночные каверны, их динамика составляет основу для понимания всего явления в целом. Современное состояние знаний в этой области позволило сделать большой шаг в объяснении механики пузырьков, являющейся причиной кавитационной эрозии.[ ...]

Экспериментально доказано (рис. 12) , что характерное время конечной стадии сжатия кавитационного пузырька составляет по порядку величины 10-6-10-7 с. При этом скорость изменения стенки пузырька превышает 400 м/с, а радиус изменяется от 500 до 100 мкм за один кадр скоростной киносъемки (10 6 с). Минимальный радиус пузырька составляет 5-10 мкм, но на основании экспериментов по рассеянию света может быть сравним с длиной световой волны (-0,5 мкм).[ ...]

Одновременное схлопывание двух идентичных пузырьков, находящихся на расстоянии 2Ь друг от друга в неограниченной жидкости, аналогично схлопыванию одиночного пузырька, находящегося на расстоянии Ь от твердой стенки, и пузырьки образуют струи, направленные навстречу друг другу;. Однако в большинстве практических случаев взаимодействуют несколько каверн. Обычно они имеют неодинаковые размеры и, следовательно, различные времена схлопывания; кроме того, в большой группе схлопывание начинается неодновременно для всех каверн. Вследствие этого схлопывание группы каверн является очень сложным процессом, но кумулятивный эффект может быть намного сильнее, а время действия - намного больше, чем при схлопывании отдельных каверн. Хотя жидкости, содержащие пузырьки газа, широко исследовались , совместному схлопыванию групп кавитационных пузырьков уделяли мало внимания.[ ...]

Влияние сжимаемости и поверхностного натяжения учитывается в аналогичном исследовании схлопывания кавитационного пузырька в сжимаемых жидкостях, выполненном Айвени , который показал, что из-за учета этих явлений в уравнении движения появляются два масштабных параметра. Для серии значений каждого из этих параметров существует свое решение задачи о движении пузырька.[ ...]

Нолтинг и Непайрас выдвинули тепловую теорию "горячего пятна”, согласно которой при адиабатическом охлопывании кавитационного пузырька внутри него развивается температура порядка 10000 К. Возникающее при этом свечение является термически равновесным излучением черного тела.[ ...]

Следует отметить, что с качественной стороны влияние замедленной релаксации диполей по своему действию на динамику кавитационного пузырька аналогично действию вязких сил - быстрое сжатие требует гораздо больших затрат энергии, чем медленное.[ ...]

В качестве примера рассмотрим механизм коагуляции полистирольного латекса . Под воздействием флотационного эффекта пульсирующих кавитационных пузырьков частицы дисперсной фазы суспензии собираются у поверхности пузырьков, где на них воздействуют ударные волны, разрушающие сольватную оболочку на частицах. При этом частицы коагулируют, образуя достаточно прочную пространственную структуру. Пузырьки, находящиеся вне этой структуры, способствуют построению новых слоев до коагуляции всей массы латекса.[ ...]

Действительно, амплитуды возмущения ап растут от их начальных значений до постоянных значений, увеличивающихся с возрастанием п в процессе роста пузырька, но относительные амплитуды возмущения an/R проходят через максимум, а затем стремятся к нулю. Следовательно, в процессе роста кавитационные пузырьки стремятся принять сферическую форму.[ ...]

В спектре однопузырьковой сонолюминесценции воды, в отличие от многопузырьковой, отсутствуют ОН и рекомбинационные полосы Н +ОН. Наконец, в одиночном кавитационном пузырьке возникают температуры порядка 50000 К , 130000 К , 300000 К . Экспериментальные исследования однопузырьковой кавитации показали наличие ядер дейтерия, что свидетельствует о термоядерном процессе. Поэтому можно полагать, что кавитация в многопузырьковых системах принципиально отличается от однопузырьковой. Теоретические работы о механизме процессов, протекающих в одиночных кавитационных пузырьках, в настоящее время проводятся М. А. Маргулисом и в научной школе академика РАН Р. И. Нигматуллина.[ ...]

Большое число электрохимических измерений проводилось на металлах, исследуемых в условиях вибрационной кавитации с целью определения роли коррозии в кавитационной эрозионной коррозии. Кавитация также усиливает коррозионный ток меди при всех потенциалах в воде и в водном растворе хлорида двухвалентного железа . Такое смещение потенциала и увеличение коррозионного тока связывается с удалением пленок из продуктов коррозии под действием схлопывающихся кавитационных пузырьков.[ ...]

Существуют также представления в рамках так называемой «новой электронной теории» , в основе которой лежит явление образования двойного ионного слоя у поверхности кавитационного пузырька. По мнению авторов, заряд двойного ионного слоя имеет большую плотность и вызывает пробой газа в оторвавшемся малом пузырьке.[ ...]

В соответствии с этой теорией протекание химических процессов в водной среде при воздействии акустического поля объясняется следующим образом. Первичные элементарные процессы в кавитационном пузырьке приводят в конечном счете к образованию в ультразвуковом поле радикалов Н ОН (так же, как при радиолизе водных растворов). Радикалы частично рекомбинируют и после попадания в жидкую фазу реагируют с растворенными веществами по косвенному механизму. Независимо от состава водного раствора химизм процессов при воздействии ультразвуком определяют всего два компонента - проникающие в полость растворенные газы и пары воды. Они могут либо распадаться на радикалы Н и ОН’, либо передавать энергию возбуждения другим молекулам, либо реагировать с растворенным веществом. Таким образом, процессы, происходящие в кавитационном пузырьке, сводятся к возбуждению и ионизации молекул воды.[ ...]

Для объяснения химических эффектов в неводных системах М. А. Маргулисом выдвинуты две гипотезы. По первой гипотезе возникновение электрических разрядов внутри пульсирующих и "охлопывающихся кавитационных пузырьков в жидкости, выделение энергии в локальных микроскопических областях системы и последующее быстрое охлаждение реагентов могут привести к резкому локальному увеличению скорости химических реакций и последующей "закалке" получаемых продуктов. При этом не успевает осуществляться разложение целевых продуктов, и селективность процесса возрастает, поскольку вся жидкость остается практически холодной.[ ...]

При прохождении ультразвука большой интенсивности через жидкость, содержащую растворенные газы или твердые частицы, возникают значительные сжимающие и растягивающие усилия. При сжимающих усилиях кавитационные пузырьки захлопываются и образуется сильная ударная волна, которая является источником кавитационного разрушения, что и обусловливает диспергирующее"действие ультразвука. В зависимости от величины воздействий преобладает коагуляция или диспергирование.[ ...]

Помещая фотографическую пластину под наконечник вибрационного устройства, колеблющийся с ультразвуковой частотой, Ниборг и др. обнаружили более интенсивное потемнение пластины вокруг одиночного кавитационного пузырька, находящегося на пластине, которое связывается с микрозавихрениями жидкости вокруг пузырька. Этот эффект схематически представлен на рис. 4,а. В случае скопления пузырьков, создаваемого наконечником ультразвукового вибратора, отмечаются микрозавихрения вблизи края этого наконечника (рис. 4,6).[ ...]

Следовательно, с точки зрения специальных проблем эрозии для получения решающих результатов, по-видимому, необходимо, чтобы в будущих исследованиях усилия были сосредоточены на взаимодействии между кавернами в процессе схлопывания групп кавитационных пузырьков. Конкретными предметами исследования, представляющими большой интерес, являются ударные волны, возникающие при несферическом схлопывании каверн, их распространение и поглощение соседними кавернами.[ ...]

Согласно современным представлениям, возникновение и интенсификация химических реакций в поле акустических колебаний объясняются процессом кавитации. Явление кавитации основано на двух теориях - электрической (возникновение электрического разряда внутри кавитационного пузырька в результате накопления на его стенах электрических зарядов) и тепловой (возникновение высоких температур и давлений в результате адиабатического сжатия кавитационного пузыря) .[ ...]

Другое устройство вибрационного типа использовалось Плессетом и Эллисом , и его основной частью являлся кольцевой преобразователь, который был расположен в стакане с жидкостью (рис. 5, б). Испытуемый образец размещается на дне стакана по центру, где создается облако кавитационных пузырьков. Благодаря этому образец подвергается воздействию поля напряжений, подобного тому, которое создается колеблющимся наконечником. Это устройство не получило такого широкого распространения, как вибратор с наконечником, вероятно, потому, что последний имеется в продаже.[ ...]

Для деструкции органических соединений тяжелых металлов, в î числе ртути, в природных водах и рассолах применяется безреагентный тод обработки водных проб ультразвуковым облучением с част i 18-24 кГц и интенсивностью не менее 12.5-20 Вт/см2 . Возни: вение в ультразвуковом поле кавитационных пузырьков, их рост, пульс; л и схлопывание приводит к локальному концентрированию энергии и с зованию множества радикалов, эффективно разрушающих органиче е соединения . Эффективность ультразвукового метода проверена N дом добавок. Аналогичная методика применена при определении рт; почвах .[ ...]

Ультразвуковые колебания применяются при разнообразных технологических процессах с целью воздействия на вещество. Для этого обычно применяют низкочастотный ультразвук, используя его механический эффект. В жидкости он связан с явлениями кавитации. Гидравлические удары, возникающие при захлопывании кавитационных пузырьков, обусловливают размельчающее и диспергирующее действие ультразвука, которые положены в основу многих технологических процессов, осуществляющихся с помощью ультразвука.[ ...]

Вейслер , Линдстром и Эльпинер обобщили данные о химических эффектах при ультразвуковой кавитации и нашли, что они подобны явлениям радиационной химии. При очень низких интенсивностях ультразвука, когда нет кавитации, нет и химических изменений. Однако при критической интенсивности ультразвука, т. е. при зарождении кавитационных пузырьков, образуется Н2О2, причем выход Н202 пропорционален содержанию растворенного кислорода в жидкости и интенсивности кавитации. БеЗО в 1,1 н. Н2304 в процессе ультразвуковой кавитации происходит окисление двухвалентных ионов железа в трехвалентные. Реакция окисления облегчается в присутствии кислорода, ослабляется при наличии водорода и полностью исключается при наличии гелия в растворе. Измеряя внутреннее трение, Джин и Мессино показали, что образцы тантала при выдержке в воде в условиях ультразвуковой кавитации поглощают атомы водорода, выделившиеся, по-видимому, при разложении молекул воды. Эти химические эффекты кавитации наблюдаются не только при ультразвуковой кавитации, но также в гидродинамических трубах и в гидравлических установках .[ ...]

На рис. 2.5 приведена обобщенная схема, описывающая работу по крайней мере трех устройств, предложенных в 1975--1976 гг. Е. Беком, К. Зенером и Дж. В основе способа преобразования энергии - подобие существующего в природе круговорота воды под действием солнечной радиации. Подъем воды на требуемый уровень осуществляется путем либо создания в столбе кавитационных пузырьков, либо вспениванием (эффекты аналогичные подъему жидкости с помощью эрлифта), либо созданием разрежения над ее поверхностью за счет образования тумана. Гидротурбина при этом может быть установлена и как показано на рис. 2.5, и непосредственно в трубопроводе теплой воды, забираемой с поверхности.[ ...]

В предыдущей главе показано, что кавитация является причиной деформации и эрозии материалов в самых разнообразных гидромеханических системах - как в текущих жидкостях (гидродинамическая кавитация), так и в жидкостях, подвергающихся воздействию пульсирующих импульсов давления (вибрационная кавитация). Целью этой главы является описание динамики одиночных кавитационных пузырьков и групп кавитационных пузырьков и выяснение механизмов, под действием которых может произойти наблюдаемая в технике эрозия. Кроме того, Плессет и Просперити опубликовали недавно обзор динамики кавитации и кавитационных пузырьков.[ ...]

С помощью существующих до настоящего времени теорий можно с определенными допущениями объяснить некоторые реакции, протекающие по радикальному механизму. Однако множество полученных экспериментальных данных по интенсификации химических реакций, протекающих не по радикальному , а по другим механизмам, нельзя объяснить электрическим разрядом, возникающим внутри кавитационных пузырьков, или созданием в них больших температур и давлений. Указанные условия должны непременно привести к разложению реагентов и снижению селективности целевых реакций.[ ...]

Реакцию проводили в ТГФ. Это свидетельствует о том, что в условиях акустического воздействия происходит поляризации связи 51-Х и отрыв галогена от кремния. Следует отметить, что без ультразвукового воздействия такая реакция не протекает. Процесс димеризации хлорсиланов значительно интенсифицировался при добавлении в реакционную массу небольшого количества антрацена. Молекулы антрацена не могут проникать в кавитационную полость и участвовать в процессах, которые описываются в ранее опубликованных теоретических работах различных исследователей. Однако они способны уменьшить скорость релаксационных явлений, протекающих вокруг кавитационного пузырька за счет их большого размера и увеличения вязкости жидкости, где протекают дипольно-ориентационные процессы.[ ...]

Более конкретная реализация описанного принципа с использованием парожидкостного тумана, образующегося над поверхностью теплой воды в том случае, когда конденсатор размещен значительно выше, поясняется рис. 2.6 (С. Риджуэй и А. Шомет, Калифорнийский университет). Парожидкостная смесь, с удельным объемом от 200 до 3000 см3/г, содержащая капельки воды размером около 200 мкм, поднимаясь в поле отрицательного градиента температур, выполняет работу по прокачиванию теплой поверхностной воды через турбину. Общая проблема при реализации подобных устройств в промышленных масштабах (лабораторные образцы уже осуществлены) - возможная нестабильность тумана, пены, кавитационных пузырьков .[ ...]

Чепмен и Плессет в предположении о постоянстве давлений р и роо выполнили исследование полной нелинейной задачи для двух случаев каверны, начальная форма которой отлична от сферической, а именно для вытянутого и сплющенного эллипсоидов в неограниченной жидкости. Они использовали численный метод, в котором схлопывание определялось малыми последовательными шагами по времени, на каждом из которых решали потенциальную задачу и находили скорость стенки каверны в большом числе точек. Рост возмущений приводил к столкновению противоположных участков стенки каверны друг с другом со скоростями в несколько сот метров в секунду еще до того, как средний радиус пузырька R обращался в нуль и происходило разрушение кавитационного пузырька. Оказалось, что в обоих случаях развитие начального возмущения сферической каверны и во втором приближении очень хорошо описывается линеаризованной теорией в той области, где она справедлива, но высшие гармоники, возникающие в результате нелинейных взаимодействий, существенно изменяют скорости стенок каверны в конце схлопывания по сравнению со скоростями, полученными по линеаризованной теории.[ ...]

Коррозия оказывает влияние на морфологию повреждений поверхности и скорость механической эрозии под действием кавитации. При измерениях остаточных напряжений указанные выше исследователи установили, что механическое повреждение, вызванное в поверхностном слое кавитацией, было значительно меньше, когда на металл накладывался анодный ток. Таким образом, представляется, что находящиеся в состоянии механического напряжения слои могут непрерывно удаляться приложенным током, и скопление кавитационных пузырьков будет воздействовать на свежую, нена-клепанную поверхность металла. С другой стороны, Хирс и Спекхардт наблюдали увеличение «механической» составляющей потери массы меди при наложении анодного тока. Однако область кавитации, вызванной неровностями поверхности металла, была в этих условиях более плоской и широкой. Это приписывалось преимущественному растворению гребней неровностей. Повреждения поверхности пассивных металлов (титана, алюминия и железа распределены неоднородно вследствие местного растрескивания пленки и ускоренной коррозии обнаженных участков. Местная коррозия (в особенности питтинг) усиливает механическую эрозию, так как шероховатая поверхность способствует образованию пустот в питтингах .[ ...]

Специфика эрозионного разрушения проявляется также в характере зависимости от времени скорости уноса массы при постоянных параметрах набегающего двухфазного потока. Существует начальный участок, инкубационный период, во время которого не происходит заметной потери массы. Затем наступает следующая стадия, во время которой скорость уноса массы, возрастая, достигает максимального значения. Отдельные кратеры от ударов частиц сливаются и покрывают всю поверхность преграды. На третьей стадии скорость уноса массы опять снижается и стремится к некоторому приблизительно постоянному значению. Все эти и многие другие смежные вопросы подробно освещены в предлагаемой книге, где обобщены результаты большого числа экспериментальных и теоретических исследований процессов соударения как твердых, так и жидких частиц, а также кавитационных пузырьков с поверхностями конструкционных материалов.[ ...]

Активное растворение может оказывать упрочняющее влияние на некоторые материалы. Иоффе показал, что при деформировании в воде кристаллы соли оказались до 25 раз более прочными и более пластичными, чем испытывавшиеся в воздухе. При растворении устраняются существующие надрезы и трещины на поверхности кристалла, и поэтому увеличивается усилие, требуемое для зарождения трещины в подобных хрупких материалах. Усталостную долговечность многих металлов можно увеличить промежуточными удалениями деформированных поверхностных слоев . Скорость разрушения стали вследствие кавитации уменьшается при наложении анодного тока на металл . Однако если растворение носит избирательный или локализованный характер, то анодная поляризация оказывает вредное влияние на механические свойства. Локальные неровности поверхности могут вызвать турбулентность протекающей жидкости и увеличение интенсивности механического разрушения в этих локальных зонах. Питерсон и Геринг показали, что при воздействии потока морской воды (31 м/с) образцы из углеродистой стали приобрели шероховатость в процессе испытаний, причем кавитационные пузырьки наблюдались у изъязвлений на поверхности; это приводило к возрастанию скорости массовых потерь со временем экспозиции в потоке воды.

Таинственный киногерой

В конце XIX века английский военно-морской флот должны были пополнить два совершенных для того времени корабля. "Дерингу" и "Турбинии" оставалось пройти последнее испытание - на быстроходность, которая, кстати, выдвигалась конструкторами как главное их преимущество. Увы, расчетной скорости достичь не удалось. Детальное исследование возможных причин неудачи показало: гребные винты на быстром ходу очень интенсивно изнашиваются, покрываясь выбоинами, кавернами, а виной всему - многочисленные паровоздушные пузырьки, возникающие на лопастях.

При таких обстоятельствах техника впервые познакомилась с кавитацией. Именно техника. Потому что науке это явление было известно уже двадцать лет. Его теоретически предсказал английский физик О. Рейнольдс. И будь конструкторы внимательнее к фундаментальным исследованиям своего соотечественника, возможно, не случилось бы конфуза.

Да, теоретик мог бы предостеречь инженеров от чрезмерных надежд. Но не более того. Если бы его спросили: как построить действительно сверхбыстроходный корабль, обойдя каким-либо образом кавитацию, у учёного вряд ли нашёлся бы ответ.

И по сей день, спустя больше века как открыта кавитация, наука, исследующая это явление, в долгу перед техникой. Даже сделать точный расчёт того порога, за которым наступает разрушительная для машины или конструкции кавитация, не всегда возможно. По прежнему крошит, изъявляет она металл гребных винтов, лопасти насосов и турбин, бетонные тела плотин, каналов, шлюзов.

Еще труднее - а заманчивые мысли об этом родились не вчера - превратить разрушительные силы кавитации и сделать их союзниками.

Почему пасует перед самыми главными секретами кавитации могучая современная наука?

Вначале давайте вспомним то, что она знает об этом явлении достаточно определённо. Кавитационные пузырьки возникают в жидкости, если в ней создать пониженное давление. Это бывает, например, при обтекании с большой скоростью какого-либо твердого тела или, что по сути, равнозначно, когда само тело быстро движется в жидкости. Звуковые и ультразвуковые волны, проходя через жидкость, так же создают области пониженного давления, вызывают кавитацию. Живут кавитационные пузырьки очень недолго. С огромной быстротой, за ничтожные доли секунды они схлопываются. Это схлопывание, подобно взрыву, порождает ударную волну. Пусть это всего лишь микровзрывы. В краткие мгновения их происходит сотни, тысячи. Они накладываются друг на друга, умножая свои силы. В разных точках жидкости температура мгновенно подскакивает до тысяч градусов, давление - до многих десятков атмосфер. У пузырьков могут возникать тончайшие лучи-жала, действующие на твердую поверхность подобно разящему броню кумулятивному снаряду! Вот откуда невероятные силы у невесомых пузырьков.

Чаще всего, к сожалению, эти силы разрушительные. Только в немногих случаях они начинают сегодня работать с пользой - например, очищают поверхность деталей, помогают выявить природный рисунок у отделочных камней, перемешивают "несовместимые" жидкости вроде бензина и воды. Чтобы лучше бороться с вредной, разрушительной кавитацией и полнее использовать её на благо, есть только один путь - глубже проникнуть в её тайны.

В чём отличие кавитационного пузырька от обычного? Что происходит внутри? По каким законам идет в нем превращение энергии? Знай сегодня ученые ответы на эти вопросы, глядишь, завтра реальными бы стали и сверхбыстроходные корабли. Но пока есть только многочисленные, спорящие между собой гипотезы. И, значит, инженер не в силах с нужной точностью рассчитать новую конструкцию или машину, в которой хотел бы запрячь силы кавитации.

Сколь недостаточны пока знания об этом явлении, говорит такой пример. Почти полвека назад открыли сонолюминисценцию - свечение жидкостей под действием ультразвука, а также звукохимические реакции, идущие только при облучении реагентов звуком. Оба этих явления очень энергоёмки, и вызвать их способна только кавитация. Эффекты и стали своеобразным тестом на кавитацию. Однако механизм, природа их до сих пор остается загадкой.

Почему же кавитация столь неприступна? Какие преграды стоят на пути к ее тайнам? Чтобы яснее представить происходящие С кавитационным пузырьком превращения, надо первым делом внимательно проследить за тем, как он рождается, движется, исчезает, словом, за всеми этапами его жизни.

Кавитационный пузырёк стал одним из главных героев научного кино. В десятках лабораторий мира он отснят на бесчисленных метрах киноплёнки. Но увы, за мгновениями его жизни не успевает даже сверхскоростная киносъёмка. Наш киногерой живёт всего лишь стотысячные или даже миллионные доли секунды! Надо ещё учесть: размеры пузырьков состовляют сотые, тысячные доли миллиметра. Наконец, кавитация - это не один и даже не тысяча рождающихся в одно мгновение пузырьков. В одне кубическом сантиметре так называемого кавитационного поля их пульсирует сразу около миллиарда! Не случайно одним из первых героев голографического кино, едва появилось оно в лабораторном, экспериментальном варианте, опять-таки стал кавитационный пузырек... А загадок не убавлялось.

Ежи в пробирке

В науке часто бывает так: для решения какой-либо сложной проблемы, над которой многие годы бьются лучшие умы, вооруженные самой совершенной техникой, не хватает какой-то очень простой идеи, какого-нибудь элементарного, почти школьного опыта. В проблеме кавитации этот, возможно, решающий шаг посчастливилось сделать ученым сектора химической физики из Всесоюзного научно-исследовательского института органического синтеза.

В то время как одни исследователи уповали на все более совершенную аппаратуру, новейшие методы решения необычайно сложных систем дифференциальных уравнений движения пузырьков, специалисты ВНИИОСа искали нелобовое, обходное решение. В чем состоял задуманный ими маневр? Рассуждали примерно так. Толком разглядеть кавитационные пузырьки мешает их мизерность и крайне малое время жизни. Зависит это от частоты колебаний, которыми возбуждают кавитацию. Сумей исследователи получить кавитацию, скажем, при частотах 10-100 Гц - пузырьки согласно расчетам могли бы жить уже десятые доли секунды и иметь размеры до сантиметра. Вот тогда мы бы увидели своего киногероя действительно крупным планом.

Неужели эта нехитрая идея никому прежде не приходила в голову? Разумеется, приходила. Попыток было много. Статья с результатами последней из них, которую предприняли американские исследователи, лежала на столе заведующего сектором М. А. Маргулиса. И в ней ничего утешительного. В который раз получено подтверждение привычной точки зрения: кавитация - явление пороговое, то есть возникает начиная с определенной частоты, и частота эта исчисляется, увы, килогерцами... И все-таки что-то заставило воспроизвести заведомо неудачный опыт. К этому подталкивали и хорошая злость на неподдающуюся проблему, и исследовательский азарт, упорство, интуиция.

Проделать эксперимент американцев не составляло особого труда. Схема его была проста: колеблющийся стержень опускают в сосуд с жидкостью, а спектрометр, если возникнет кавитация, должен зарегистрировать свечение. Все сделали как надо - ничего похожего на кавитацию. Попробовали увеличить амплитуду колебаний стержня,- мол, возбуждение станет интенсивнее. Сверхчувствительный спектрометр "молчит". Бурление, турбулентность в жидкости усиливается, но растяжения нет как нет. Жидкость как бы слишком эластична, она хотя и завихряется, но все же успевает обтекать небыстро колеблющийся стержень. А ведь надо, чтобы она воспринимала колебания стержня словно удары. Как этого достичь?

Достаточно было исключить обтекание колеблющегося стержня, и низкочастотная кавитация открыта

Новый эксперимент поставили с аппаратурой, какая, наверное, найдется даже в школьном кабинете физики: пробирка, штатив, выточенный из оргстекла стержень, 25-ваттный динамик, старенький ламповый усилитель... Единственная его тонкость - колеблющийся стержень в виде поршня изготовили так, что зазор со стенками пробирки составлял всего десятую долю миллиметра. При этом жидкость уже не могла столь легко, как прежде, обтекать стержень.

Звуковой генератор включен на частоте 90 Гц. О том, что происходило дальше, М. А. Маргулис рассказывает:

С минуту ничего особенного мы не замечали. Затем на небольшом участке у стенки пробирки, заполненной жидкостью, под колеблющимся поршнем возникли мелкие сферические пузырьки. Число их быстро нарастало. Они образовывали крупный сгусток, внешне напоминающий ежа. Этот еж заметно пульсировал. Стали постепенно прибавлять частоту. При 200 Гц и выше можно было создать уже двух и даже больше необыкновенных ежей. Они рождались в разных частях пробирки. Время от времени они устремлялись друг к другу, сливались и тут же с треском разлетались. Сразу же бросалось в глаза, что ежи не похожи на конгломераты - скопления отдельных пульсирующих пузырьков, а представляют собой крупные, причудливой формы пузырьки...

Но не все успевал схватывать невооруженный взгляд. Ученые воспользовались привычным своим инструментом - скоростной киносъемкой. Прокрутили отснятый ролик, но... никаких ежей не обнаружили. Протуберанцы, довольно толстые отростки, затейливо изогнутые щупальца, которые словно бы выстреливались из тела крупного пузырька, никак не походили на иголки симпатичного обитателя леса. И ученые дали этому необычному созданию более прозаическое имя - большой деформированный пузырек (сокращенно БДП). На экране удалось разглядеть, как от БДП отрывались, а затем устремлялись обратно мелкие прозрачные пузырьки сферической формы.

Что это было? Кавитация, порождающая тысячеградусные температуры, колоссальные давления? Или, быть может, какое-то новое, впервые наблюдаемое явление? Для проверки, как мы уже знаем, есть особые тесты, своеобразные лакмусовые бумажки, выявляющие кавитацию - звукохимические реакции и свечение жидкостей.

Разрушая преграды

В первом же проверочном эксперименте низкочастотный звук легко запустил цепную реакцию превращения малеиновой кислоты в фумаровую. Сомнения еще оставались - реакция эта хотя и слывет у химиков сложной и капризной, но для инициирования требует сравнительно небольшой энергии. Но когда в лабораторной пробирке двухвалентное железо превратилось в трехвалентное, когда молекулы воды стали расщепляться в ней, словно орехи под ударом молотка, двух мнений быть уже не могло - возбуждена самая настоящая кавитация. Сами исследователи поначалу с трудом верили своиv же результатам. Однако многократные проверки подтверждали: звукохимические реакции можно вести уже при частоте звука в 7 Гц, а некоторые растворы начинали светиться при 30 Гц.

Мы ведем рассказ об открытии, которое можно назвать горячим. Исследования низкочастотной кавитации еще только начались.

Однако уже с первых дней они приносят интереснейшие результаты. Например, едва ученые увидели БДП своими глазами и убедились, что они кавитируют, как рухнула одна из самых авторитетных теорий кавитации. Считалось, что на поверхности рождающегося кавитационного пузырька возникают разноименные заряды. В определенный момент наступает электронный пробой. Отсюда - большое энерговыделение, свечение, инициирование труднейших химических реакций. Единственное условие для такого хода вещей - кавитационный пузырек должен быть... безукоризненно правильной линзообразной формы. На экране же, как мы знаем, исследователи увидели скорее какое-то фантастической формы растение.

"Досталось" не только электрической, но и другой - тепловой теории кавитации. Она гласила: в процессе быстрого сжатия и схлопывания кавитационного пузырька парогазовая смесь нагревается до тысячеградусных температур. При этом она, естественно, начинает светиться подобно нити накаливания обычной электролампочки, а плазменная температура расщепляет молекулы, инициирует самые невероятные химические реакции. Однако теперь в результате тщательнейших исследований установлено: сонолюминесценция - это такое же холодное свечение, как у мерцающих в ночи светляков.

Почти каждый новый эксперимент показывал привычную уже кавитацию с неожиданной стороны, открывал необыкновенные ее способности. Скажем, разрушительная сила высокочастотной кавитации была хорошо известна. Гладкую поверхность металлов она в считанные минуты могла превратить в шероховатую, выкрашивая довольно крупные частицы. Низкочастотная кавитация оказалась, напротив, орудием тонким, деликатным. Ей не составляло труда сгладить, отполировать самую шершавую поверхность, выкалывая лишь микроскопические частички металла.

Низкочастотная кавитация легко и быстро готовила эмульсии из несмешивающихся в обычных условиях жидкостей, дробила погруженные в жидкость гранулы твердого вещества, запускала самые энергоемкие химические реакции... Конечно, все это умеет и ультразвуковая, высокочастотная кавитация. Но чтобы создать ее, как известно, необходима особая аппаратура, генераторы. Теперь же подключай источник колебаний в сеть, какая питает домашний радиоприемник, и все полезные способности кавитации - к твоим услугам. Допустим, надо с предельной тщательностью и быстротой перемешивать вещества в химическом реакторе емкостью в несколько железнодорожных цистерн. Задача эта - самая рядовая, обычная для химической, фармацевтической, микробиологической промышленности. Традиционное решение: в качестве мешалки берут нечто вроде пропеллера или винтового шнека, изготовленные из самых дорогих, химически стойких сплавов. А можно вмонтировать в реактор несложный источник колебаний, включить его в розетку обычной сети - эффект, как свидетельствуют расчеты, будет еще лучший.

Вряд ли кто сможет сегодня предсказать разнообразные практические приложения "второго" открытия кавитации. Пока оно лишь расчищает дорогу для более глубокого понимания этого интереснейшего явления, опрокидывает барьеры, многие десятилетия стоявшие на пути исследователей. Понимание подлинного механизма кавитации, как и откуда возникают ее необычайные силы, еще впереди. А за ним, как всегда бывает в науке,- новые возможности для инженера, конструктора, технолога, которые сегодня невозможно и предвидеть.

Л. ГАЛАМАГА, инженер-физик
Рисунки А. МАТРОСОВА

Термин "Кавитация" происходит от латинского - Cavitas (впадина, углубление, полость).
Данным термином принято обозначать физический процесс, протекающий при ряде условий в жидкостях, и сопровождающийся образованием и схлопыванием большого количества пузырьков (пустот, каверн).

Кавитацию можно условно разделить на два подтипа согласно происхождению: гидродинамическая и акустическая.
В свою очередь, гидродинамическая Кавитация имеет ещё два подкласса - назовем их статический и динамический.

Что собой представляет кавитация как процесс физико-химического свойства?
Воздействие кавитации ускорило осаждение солей из воды, что привело к заклиниванию рабочего колеса насоса НВВ-25 .

Так, в 1 л воды при температуре 20°С растворяется приблизительно 665 мл углекислого газа, а при 0°С - в три раза
больше, 1995 мл. При температуре 0°С в одном литре H 2 O может быть растворено: He - 10 мл, H 2 S - 4630 мл.

Повышение давления влечёт за собой увеличение растворимости газов.

Например, при давлении 25атм в 1 л воды растворяется углекислого газа 16,3 л, а при 53 атм - 26,9.Понижение давления даёт, соответственно, обратный эффект. Если оставить ёмкость с водой на ночь, на стенках образуются пузырьки газа. Ещё более наглядно и быстрее это можно увидеть в стакане с газировкой. В процессе кипячения воды мы также видим процесс образования пузырьков с газом и паром.

Кавитация (тепловая) в некотором смысле - тот же процесс кипения, вызванный не только повышением температуры
(хотя и это тоже один из факторов образования кавитации).В сочетании двух факторов, повышенной температуры и пониженного давления над жидкостью, происходит процесс кавитации, при котором жидкость переходит в газо-водяную смесь.

Откачивая вакуумным насосом воздух из стеклянной бутылки - Получаем процесс кавитационного «кипения» при комнатной температуре.

Видеодемонстрация описанного эффекта.

Это особо критично и чаще всего встречается в насосных системах, работающих на всасывание. Рабочее колесо или винт создают во всасывающей магистрали разряжение, которое в случае недостатка жидкости на входе (заужение прохода, излишнее количество поворотов трубопровода и т.д.), создают условия для кавитационного закипания жидкости.

Очень часто клиенты обращаются с вопросом - почему нельзя всасывать жидкости с высокой температурой? Ответ лежит на поверхности – при понижении давления во всасывающем патрубке большая часть воды переходит в следующее агрегатное состояние, т. н. водно-газовую смесь (проще говоря, кавитационный кипяток), поднять который обычным насосом для воды уже нельзя в принципе.
Раствор жидкости с газом находится в обычных условиях в равновесии, т.е. давление в жидкости больше давления насыщенных паров газа, и система стабильна. В тех случаях, когда в системе нарушается данное равновесие, и происходит образование кавитационных пузырьков.
Рассмотрим случай образования Кавитации в статичной системе.

Чаще всего кавитация образуется в зоне, расположенной на напорной магистрали насоса, в случае её сужения.
Т.е. давление жидкости после сужения падает (согласно закону Бернулли), т.к. увеличиваются потери и кинетическая энергия.
Давление насыщенных паров становится больше внутреннего давления в жидкости с образованием пузырьков/каверн. После прохождения узкой части (это может быть приоткрытый затвор, местное сужение, и т. п.) скорость потока падает, давление возрастает и пузырьки газов и паров схлопываются. Причём энергия, высвобождаемая при этом, весьма и весьма велика, в результате чего (особенно если это происходит в пузырьках, находящихся на стенках) происходят микро-гидроудары, влекущие за собой повреждения стенок. При этом, если не принять мер, то процесс дойдёт и до полного разрушения стенок насосной части. Вибрация и повышенный шум в насосе и трубах - первейшие признаки кавитации.

Основные слабые места в гидросистемах - места сужения, резкого изменения скорости потока жидкости (клапаны, краны, задвижки) и рабочие колёса насосов. Более уязвимыми они становятся при увеличении шероховатости поверхности.

Учёт кавитационного запаса насоса на стадии проектирования системы.

Для расчёта достаточного кавитационного запаса системы надо посчитать
H – максимально возможную для данных условий, для данного насоса и его производительности, высоту всасывания.
,где
Hf - потери во всасывающей магистрали (м.в.ст.) в метрах водяного столба,
Hv - давление насыщенных паров жидкости при рабочей температуре (м),
Hs - запас надёжности, принимаемый проектировщиками – 0,5 м.в.ст.,
Pb - давление над жидкостью - в открытой системе это атмосферное давление, приблизительно равное 10,2 м.в.ст. (Pb*10.2 )
Характеристика насоса NPSH (Net Positive Suction Head) означает высоту всасывания, измеренную на всасывающем входе в насос, с поправкой на давление насыщенных паров конкретной перекачиваемой жидкости,на максимальной производительности насоса.

Т.е. физический смысл формулы H= Pb*10.2 – NPSH – Hf – Hv – Hs состоит в том, чтобы на максимальных рабочих параметрах насоса разряжение в его всасывающем патрубке не превышало бы давление насыщенных паров жидкости при рабочей температуре, т.е. система имела бы требуемый для бескавитационной работы подпор.

Совершенно очевидны отсюда и остальные пути снижения вероятности появления кавитации:
- изменить диаметр на всасывании на больший – уменьшить потери (Hf ),
- переместить насос ближе к месту забора жидкости – уменьшить потери (Hf ),
- поставить более гладкую трубу, уменьшить число поворотов, задвижек, клапанов– уменьшить потери (Hf ),
- понизить разряжение на всасывании изменением высоты установки насоса или использованием бустерного насосного оборудования – повысить (Pb ),
- снизить температуру жидкости - уменьшить (Hv ),
- уменьшить производительность насоса, снизить число оборотов – понизить (NPSH ).
Все эти меры направлены на уменьшение возможности возникновения кавитации в насосе и ведут к долговременной и безопасной работе насосов.

Периодически появляются описания непонятных объектов движущихся под водой со скоростью более 300 км/час. В результате появляются рассуждения о чудесах, сверхестественном. Но ничего сверхестественного в этом нет.

Кавитация.

О кавитации в Wikipedia пишут:

При движении струи жидкости с ростом ее скорости падает местное давление ниже порогового и образуются паро-газовые полости. При попадании такого кавитационного пузыря в область где давление выше порогового он схлопывается и образует ударную волну.

Число кавитации

Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):

P - гидростатическое давление набегающего потока, Па;

P s - давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па;

ρ - плотность среды, кг/м³;

V - скорость потока на входе в систему, м/с.

Как уже говорилось выше, кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости V = V c , когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.

В зависимости от величины Χ можно различать четыре вида потоков:

• докавитационный - сплошной (однофазный) поток при Χ >1,
• кавитационный - (двухфазный) поток при Χ ~1,
• пленочный - с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при Χ < 1,
• суперкавитационный - при Χ <<1.

Результат работы кавитации

Кавитация работает в промышленности в системах ультразвуковой очистки деталей от загрязнений.

Общеизвестно, что проявление кавитации имеет отрицательный эффект. Она разрушает поверхность узлов находящихся в контакте с кавитирующим потоком.Известно применение кавитации в военной технике.

Ранее разработки в области сверхкавитации применялись при создании оружия:

ЭтоРоссийская подводная ракета "Шквал" способна развивать скорость до 200 узлов (около 100 метров в секунду) и крайне эффективна в борьбе с надводными и подводными кораблями.

Германской антиторпедной ракеты Barracuda с подводной скоростью движения 200 узлов и выше, а также,

Новой иранской торпеды.

В США была создана авиационная система быстрого разминирования Rapid Airborne Mine Clearance System, в которой вертолет отстреливал сверхкавитационные снаряды.

Известны также специализированное личное оружие для подводной стрельбы – автомат Симонова АПС и подводный пистолет Heckler & Koch P11, которые стреляют стальными стрелами и используют эффект сверхкавитации.

Кавитационная "Ракето-торпеда"

Факторы сдерживающие применение кавитации и суперкавитации

Еще в декабре 2006 появилось сообщение:

Но, прошло более 5лет, пока об результатах этой работы неизвестно. Хотя при малейшем успехе у американских компаний звон стоит изрядный.

Попробуем разобраться

Движение под водой в суперкавитационной паро-газовой оболочке снижает гидродинамическое сопротивление движению, за счет создания оптимального обтекания и снижения трения на границе раздела жидкость - паро-газовая оболочка.

Физика явления кавитации и суперкавитации говорит: - "нет проблем в достижении и применении этих эффектов, надо просто разогнать подводную лодку до скорости более 75 - 100 км/час".

Так ли это просто?

Практика показывает, что для достижения подводной лодкой скорости 30 узлов, в зависимости от ее размеров (лобового сопротивления), массы и других параметров, требуется мощность привода ходовых винтов более 35000 л.с. (35000 - 200000 л.с.). Для достижения скорости выхода на суперкавитационный режим нужна многократно большая мощность (более 10 раз).

Правда с помощью создания искусственной парогазовой оболочки можно снизить требуемое увеличение мощности энергоустановки для выхода на кавитационный до 3-5 раз.

Сопротивление движению в режиме суперкавитации снижается на 70% по сравнению с сопротивлением движению на той же скорости без паро-газовой суперкавитационной оболочки.

Но все равно, для современных АПЛ и аппаратов подобного водоизмещения (подводных танкеров), это мощности 100 - 1000 тыс. л.с.

Проблемы

Есть несколько проблем маячащих на горизонте при создании суперкавитационных скоростных подводных аппаратов.

Первая проблема

Это мощность двигательной установки.

Для достижения скоростей необходимых для выхода на скорости необходимые для перехода в кавитационный режим необходимы мощности многократно превосходящие мощности современных подводных аппаратов.

Поскольку технический прогресс идет в направлении увеличения мощности двигательных установок транспортных средств, можно предположить, что решение этой проблемы нас ожидает в близком будущем.

Вторая и наиболее важная проблема

Это движитель подводного аппарата движущегося в суперкавитационном режиме.

Та самая сверх кавитационная паро-газовая оболочка, которая помогает выходу подводного аппарата на сверхскоростной режим движения лишает его возможности отталкиваться от среды и двигаться. Поскольку винт оптимизированный для движения в воде попадая в воздушную (паро-газовую) среду почти полностью теряет свою тягу (работает в газовой среде), применение винта, как движителя, не допустимо.

Да и сам винт (его поверхности расположенные на максимальном расстоянии от оси его вращения) имеет линейную скорость приближающуюся к скоростям при которых возникает кавитация и не может служить движителем подводных аппаратов.

Из имеющихся сейчас движителей, только ракетный может работать при движении подводного аппарата в суперкавитационном режиме. Он и используется в существующих моделях таких подводных аппаратов - например ракетной торпеде Шквал.

Получается, что для движения в водной среде в суперкавитационном режиме нужен движитель с тягой создаваемой без взаимодействия с окружающей средой. пока таких двигателей нет.

Третья проблема

Управление подводным аппаратом движущимся в суперкавитационной каверне.

Та самая паро-газовая каверна, которая позволяет двигаться с огромными скоростями под водой лишает подводный аппарат связи со средой и воздействия на нее для создания управляющих движением моментов.

Получается для управления движением в нашем случае нужен управляемый вектор тяги. Управляемый вектор тяги известен и применяется в современной авиации и ракетной технике.

И самое последнее

Наличие в этом режиме движения среды многократно меняющейся плотности (твердая поверхность аппарата -> паро-газовая каверна -> плотная водная среда) не позволяет, при существующем уровне развития техники, поддерживать связь, контролировать курс и окружающее пространство, управлять аппаратом.

Так можно ли создать подводные аппараты со скоростью самолета?

Смею утверждать - можно!

Но, самое главное, для этого надо этого энергетическая установка с мощностью по крайней мере на порядок - несколько большей существующих. И возможно еще на порядок большими мощностями двигательной установки для обеспечения требуемой управляемости - ведь законы физики отменить нельзя.

Не менее важно, чтобы они имели движитель нового уровня, работающий без механического контакта с внешней средой, а для обеспечения управления подводным аппаратом движущимся в режиме сверхкавитации он должен иметь управляемый вектор тяги. И вполне возможно это совсем не движитель построенный на принципе реактивной тяги.

Вам это ничего не напоминает?

Одно можно сказать торпеда это реальность, а подводный обитаемый (да и автомат тоже) аппарат продолжительность плавания которого измеряется часами и сутками - это дело не года - пяти, а существенно более дальних времен.

И что самое главное, такие подводные аппараты смертельно опасны для всего живого на их пути!

Содержание статьи

КАВИТАЦИЯ, образование газовых пузырьков в жидкости. Термин был введен ок. 1894 британским инженером Р.Фрудом. Если давление в какой-либо точке жидкости становится равным давлению насыщенного пара этой жидкости, то жидкость в этом месте испаряется и образуется паровой пузырек. Примером может служить кипение воды. При нагревании воды давление ее насыщенного пара повышается. Когда достигается температура кипения, давление пара становится равным давлению окружающей среды, и в воде появляются паровые пузырьки.

Паровые пузырьки в жидкости легче образуются при пониженном давлении. Когда же давление окружающей среды становится больше давления насыщенного пара жидкости, кавитационный пузырек с силой схлопывается. Такое схлопывание пузырьков создает шум, вызывает вибрацию и повреждения конструкций, неблагоприятно отражается на работе соответствующих машин и механизмов. Местное понижение давления в жидкости происходит при быстром относительном движении тела и жидкости.

Закон Бернулли.

Согласно закону Бернулли, в жидкости без трения энергия постоянна вдоль линии тока. Это можно выразить равенством

где p – давление, r – плотность, а v – скорость. Индексы 0, 1 и 2 относятся к любым трем точкам на данной линии тока.

Из указанного равенства следует, что при увеличении скорости понижается местное давление (пропорционально квадрату скорости). Всякая частица жидкости, движущаяся по искривленной линии тока, например, огибающей профиль (рис. 1), ускоряется и претерпевает понижение местного давления. Если давление снижается до давления насыщенного пара, то возникает кавитация. Таков механизм явления кавитации на подводных крыльях, гребных винтах, лопатках турбин и лопастях насосов.

В случае жидкости, текущей по трубе, согласно закону сохранения массы (уравнению неразрывности), скорость жидкости увеличивается в местах сужения трубы, где также возможна кавитация.

Кавитационный коэффициент.

Явление кавитации совершенно одинаково и для потока, обтекающего неподвижное тело, и для среды, в которой движется тело. В обоих случаях важны лишь относительная скорость и абсолютное давление. Соотношение между давлением и скоростью, при которых происходит кавитация, дается безразмерным критерием s , который называется кавитационным коэффициентом (числом кавитации) и определяется выражением

где p v – давление насыщенного пара жидкости при данной температуре.

Типы кавитации.

На рис. 2 представлена кавитация на неподвижном подводном крыле, снятая в высокоскоростной гидродинамической трубе. При определенной скорости течения воды местное давление у поверхности крыла понижается до давления водяного пара. На поверхности крыла появляются кавитационные каверны. Пузыри растут, смещаясь в направлении течения. (Поскольку пузыри образуются возле поверхности крыла, они имеют полусферическую форму.) Такой тип кавитации называется нестационарной (сбегающей) пузырьковой кавитацией. Если на поверхности имеется какой-нибудь выступ, то пузыри концентрируются на нем. Такая стационарная кавитация тоже показана на рис. 2.

Кавитация может происходить в зоне вихрей, образующихся в местах повышенного сдвига и пониженного давления. Вихревая кавитация часто наблюдается на передней кромке подводных крыльев, на передних кромках лопастей и позади ступицы гребного винта. Возможно одновременное возникновение разных типов кавитации. На рис. 3 представлен морской гребной винт с вихревой кавитацией на передних кромках лопастей, стационарными кавитационными кавернами на поверхности лопастей и присоединенной вихревой кавитацией позади ступицы. Кавитация в жидкости, вызываемая звуковой волной, называется акустической.

Кавитация и техника.

Скорость течения обычно сильно снижается у задней кромки профиля. Здесь давление становится выше давления пара. Как только условия, благоприятные для кавитации, исчезают, пузырьки тут же схлопываются. Энергия, высвобождающаяся при схлопывании пузырей, весьма значительна.

Эрозия.

Большая энергия, рассеиваемая при схлопывании кавитационных пузырей, может приводить к повреждению поверхностей подводных конструкций, гребных винтов, турбин, насосов и даже узлов ядерных реакторов. Масштабы такого явления, называемого гидравлической эрозией, могут быть разными – от точечной поверхностной эрозии после многих лет эксплуатации до катастрофического выхода из строя больших конструкций.

Вибрация.

Кавитация на гребных винтах может вызывать периодические колебания давления, действующего на корпус судна и силовые установки. Кавитационная вибрация судна создает дискомфортные условия для пассажиров и команды.

КПД и скорость.

Кавитация может существенно увеличивать гидродинамическое сопротивление, в результате чего снижается коэффициент полезного действия гидравлического оборудования. Чрезмерная кавитация на гребном винте может уменьшить его тягу и ограничить максимальную скорость судна; кавитация может также быть причиной снижения производительности турбины или насоса и даже срыва его работы.

Шум.

Некоторая часть энергии, высвобождающейся при схлопывании кавитационных пузырей, преобразуется в звуковые волны. Такой шум особенно нежелателен на военно-морских судах, поскольку повышает вероятность их обнаружения.

Как правило, кавитация нежелательна (в морской и турбонасосной технике). Но в некоторых случаях ее вызывают намеренно. Примером может служить кавитационный гидромонитор. Большая энергия, высвобождающаяся при схлопывании кавитационных пузырей в водяной струе, используется для бурения (за счет эрозии) горных пород и для обработки поверхностей.