3.2. Понятие о кавитации.

Температура кипения жидкости зависит от давления: чем меньше давление, тем ниже точка кипения жидкости. Из уравнения Бернулли (3.1) следует, что с увеличением скорости жидкости должно падать давление. При достаточно больших скоростях потока давление в нем может упасть до давления насыщенных паров p_н, при котором жидкость начинает кипеть. Для реальных жидкостей при температуре до 35⁰С давление насыщенных паров весьма мало – 600 – 6000 Па. Это явление вскипания жидкости при нормальной температуре и пониженном давлении называется кавитацией.

Кавитация сопровождается разрывом сплошности жидкости и образованием в ней полостей, заполненных насыщенными парами жидкости — так называемых кавитационных пузырьков, которые при дальнейшем развитии процесса развиваются в полости конечных размеров — каверны.

Итак, условие начала кавитации

(3.11)

Рассмотрим явление кавитации на примере прямолинейного движения удлиненного тела с постоянной скоростью под свободной невозмущенной поверхностью на глубине h. Произведем обращение движения (рис.13). Эпюра коэффициента давления на поверхности тела приведена на этом же рисунке. Минимальное давление, очевидно, будет в точке минимума давления M и определится зависимостью, полученной из (3.10):

К авитация - одно из немногих явлений, в котором нужно учитывать полное давление в невозмущенном потоке , где - атмосферное давление. В точке M коэффициент давления отрицателен, возьмем его по абсолютной величине . Напомним, что не зависит от скорости . С учетом вышесказанного

. (3.12)

При повышении скорости до некоторого значения давление в точке станет равным . В этой точке начнется кавитация.

(3.13)

Для скорости начала кавитации отсюда получим выражение

. (3.14)

Образующиеся кавитационные пузырьки сносятся потоком в кормовую часть тела, где давление . В этой области пузырьки захлопываются. Это явление очень сложное, поэтому отметим лишь один важный факт — при захлопывании пузырьков возникают огромные местные давления порядка десятков МПа. Периодическое захлопывание кавитационных пузырьков примерно в одной области тела приводит к разрушению материала поверхности тела, которое называется кавитационной эрозией. Помимо этого при захлопывании пузырьков возникают значительные кавитационные шумы. Какое-либо изменение гидродинамических характеристик тела (сопротивления, подъемной силы) на этой стадии кавитации отсутствует.

По мере дальнейшего увеличения скорости , зона, где давление равно давлению насыщенных паров , расширяется, пузырьки кавитации начинают соединяться в область конечных размеров, кавитационную каверну. Эта нестационарная каверна, сносясь потоком в кормовую область, может захлопнуться уже за телом, в результате чего явление кавитационной эрозии уже не будет иметь места. Данная стадия кавитации условно называется второй стадией. При определенных условиях кавитационная каверна начинает охватывать значительную часть поверхности тела, причем нестационарность течения проявляется только в кормовой части каверны. Во второй стадии кавитации наблюдается ухудшение гидродинамических характеристик тела — увеличение сопротивления и уменьшение подъемной силы.

В большинстве случаев кавитация в корабельной гидромеханике является вредным явлением. Произведем анализ формулы (3.14), определяющей скорость начала кавитации. Из принципа ее вывода следует, что при скорости кавитация отсутствует. Выясним, какие меры способствуют увеличению . Из (3.14) видно, что (при прочих равных условиях) увеличение глубины погружения тела h способствует увеличению , т.е. наступление кавитации оттягивается. Атмосферное давление p_a меняется незначительно. Давление насыщенных паров (в диапазоне реальных температур морской воды до 35⁰С) весьма мало, отсюда следует, что эти два фактора сколько-либо значительного влияния на скорость начала кавитации не оказывают. Значительное влияние на оказывает величина максимального коэффициента разрежения: при увеличении уменьшается, и, наоборот, при уменьшении увеличивается, т.е. начало кавитации оттягивается. Распределение коэффициента давления по телу и величина коэффициента максимального разрежения определяются геометрией тела и его ориентацией в потоке жидкости (углом атаки); эти факторы будут освещены в последующих разделах курса.

Кавитация с ее вредными последствиями может иметь место на лопастях гребных винтов, на крыльевых системах судов на подводных крыльях, на рулях быстроходных кораблей и т.д.

Возникновение кавитации (как в первой, так и во второй стадии) возможно также при течении жидкости по трубопроводам, в тех его местах, где происходит резкое уменьшение поперечного сечения. Согласно интегралу Бернулли, , в этих местах скорости увеличиваются, а давление падает и может достичь величин давления насыщенных паров . Отметим, что при повышении температуры t⁰C существенно возрастает , что способствует более раннему началу кавитации.