12.2 Кавитация

Кавитация оказывает влияние на гидродинамические характеристики тел, а также вызывает дополнительные явления, в том числе эрозию поверхности тела, на которой развивается процесс кавитации, кавитационные шумы и вибрации. В судостроении изучение кавитации имеет важное значение, т.к. она влияет на работу гребных винтов, подводных крыльев, сопротивлению движению тел.

Явление кавитации характеризуется возникновением разрывов капельной жидкости в некоторых областях потока. Обычно такими областями при больших скоростях бывают участки жидкости, где скорости достигают максимального значения, т.е. вблизи поверхности тела или в районе ядер вихрей. В результате разрывов в жидкости возникают кавитационные полости в виде пузырей или обширных каверн, заполненных парами воды, а также выделившимися из воды растворенными в ней газами.

Появление разрывов в потоке капельной жидкости зависит от ее объемной прочности, т.е. способности выносить растягивающие напряжения.

Условия статического равновесия пузырька, зависящие от давления насыщенного пара внутри него, внешнего давления и сил поверхностного натяжения, определяется уравнением равновесия

, (12.7)

где – капиллярная постоянная;

– радиус пузырька.

Пузырек, являющийся ядром или зародышем кавитации, начнет расти в покоящейся жидкости, если выполняется следующее условие

. (12.8)

Неравенство (12.8) показывает, что процесс роста пузырьков зависит от их радиуса, свойств жидкости и наличия в ней примесей, определяющих значение , а также от величины внешнего давления .

В зависимости от того, какой процесс обусловливает увеличение пузырька, различают газовую и паровую кавитации.

Различают две основные формы кавитации при обтекании тел – пузырьковую и пленочную.

Начало развития пузырьковой кавитации связано с увеличением скорости потока и значительным понижением давления в тех областях поверхности тела, где избыточное давление отрицательно. Это понижение давления порождает нарушение равновесия и начало роста ядер кавитации, т.е. кавитационных пузырьков, которые возникают в микротрещинах на поверхности тела или содержатся в набегающем потоке. Двигаясь вместе с потоком, кавитационные пузырьки растут; при этом увеличивается их число. Однако далее, переходя в зону, где давление начинает увеличиваться, эти пузырьки смыкаются, вызывая шум и мгновенные пульсации давления. Если замыкание пузырька происходит вблизи твердой поверхности, то его форма отличается от сферической, и процесс ее изменения сопровождается возникновением струйки жидкости, с большой скорость направленной в сторону поверхности. Возникновение таких струек рассматривается, наряду с пульсациями давления, как одна из возможных причин кавитационной эрозии материалов.

Если скорость потока продолжается увеличиваться, то пузырьки, сливаясь, могут образовывать на поверхности тела пузырьковую каверну. Фактически каверна неустойчива. В конце образовавшейся каверны возникает обратный поток жидкости, вызывающий отрыв каверны от поверхности тела с последующим ее перемещением вниз по потоку и замыканием. В месте же первичного ее возникновения начинается образование новой каверны, и описанный выше цикл повторяется.

При высоких скоростях обтекания протяженность каверны увеличивается, и наблюдается рост ее устойчивости. Область замыкания каверны перемещается к задней кромке тела, а затем выходит за пределы его поверхности. При этом исчезает пузырчатая структура каверны, она становится стационарной и прозрачной. Эрозия поверхности тела, охваченной такой каверной, прекращается. Кавитация, при которой наблюдается стационарная прозрачная каверна, называется развитий или пленочной.

Обтекание, при котором каверна охватывает всю спинку профиля или большую часть поверхности тела, а замыкание каверны происходит позади него, называют суперкавитацией.

Наблюдения показывают, что давление в каверне при развитой кавитации близко, , к давлению насыщенного пара; при давлениях, близких к этому значению, начинается кавитация в обычной воде. Это дает основание считать, что процесс развития кавитации зависит от числа кавитации

. (12.9)

Из теории подобия известно, что число кавитации служит основным критерием ее моделирования.

Число кавитации, при котором возникает кавитация тела данной формы, называется критическим .