ВУЗ:
Составители:
Рубрика:
объему жидкости в отличие от кавитации, которая имеет ограниченную область. Различают гидродина-
мическую кавитацию, возникающую за счет местного понижения давления в потоке жидкости при об-
текании твердого тела, и акустическую кавитацию, возникающую при прохождении через жидкость
акустических колебаний. Кавитационная каверна, заполненная паром и газом в различных источниках,
называется полостью, пузырем, пузырьком, сферой и т.п. Будем употреблять эти термины в зависимо-
сти от рассматриваемой ситуации, так как они вполне применимы и адекватны физической сущности
кавитации.
Акустическая кавитация представляет собой эффективное средство концентрации энергии звуковой
волны низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и захлопыванием ка-
витационных пузырьков [11]. Общая картина образования кавитационного пузырька представляется в
следующем виде. В фазе разрежения акустической волны в жидкости образуется разрыв в виде полости,
которая заполняется насыщенным паром данной жидкости. В фазе сжатия под действием повышенного
давления и сил поверхностного натяжения полость захлопывается, а пар конденсируется на границе
раздела фаз. Через стены полости в нее диффундирует растворенный в жидкости газ, который затем
подвергается сильному адиабатическому сжатию.
В момент схлопывания, давление и температура газа достигают значительных величин (по некото-
рым данным до 100 МПа и 1000 °С). После схлопывания полости в окружающей жидкости распростра-
няется сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве.
В литературе употребляются такие термины, как захлопывание, схлопывание, аннигиляция, коллапс и т.п.,
которые обозначают одно явление – уменьшение радиуса пузырька R до минимального R
min
или уменьше-
ние радиуса полости, ее деформацию и распад на несколько пузырьков.
Чтобы в жидкости образовалась полость, необходимо раздвинуть ее соседние молекулы на расстоя-
ние не менее удвоенной длины промежутка между ними. Жидкость может выдерживать максимальное
растягивающее напряжение, рассчитываемое по формуле [12]
RP
σ
≈
2 , (2.1)
где σ – поверхностное натяжение жидкости; R – радиус пузырька.
Для воды при R = 2 ⋅ 10
-10
м, Р = 1000 МПа [16], кавитационная прочность необработанной воды не
превышает нескольких десятков мегапаскалей. Существует нелинейная зависимость в виде предельных
кривых Эше [11] между частотой акустической волны и пороговым давлением, при котором возникает
кавитация. Пороговым давлением называется значение амплитуды акустического давления, вызываю-
щего расширение зародыша до критического размера, после которого он начинает расти взрывообразно
[11]. Чем ниже частота акустической волны, тем ниже пороговое давление. Например, для частоты 1
кГц пороговое давление не превышает 10
5
Па при нормальном статическом давлении и температуре (Р
∞
≈ 0,1 МПа, Т ≈ 20 °С) [11, 13].
Расхождение между экспериментальной и теоретической прочностью объясняется наличием в
реальных жидкостях различных примесей и включений, которые являются зародышами кавитации
и сильно понижают ее прочность. Согласно теоретическим представлениям маленькие пузырьки
должны растворяться в жидкости, а большие – всплывать. Тем не менее, в жидкости постоянно при-
сутствуют пузырьки различного радиуса. Очень маленькие пузырьки стабилизируются на поверхностях
и в трещинах малых твердых частиц, взвешенных в жидкости.
В любой жидкости зародыши кавитации могут образовываться за счет заряженных частиц высоких
энергий, присутствующих в космических лучах [13]. Более 2/3 частиц, порожденных космическими лу-
чами, составляют µ-мезоны, а остальные – в основном электроны. Электроны хорошо поглощаются в
жидкостях, а µ-мезоны поглощаются слабо, но обладают большой проникающей способностью. Прохо-
дя через вещества, электроны и µ-мезоны взаимодействуют с электронами атомов вещества и выбивают
их, затрачивая на ионизацию определенную энергию. Вследствие локального выделения тепла, в кото-
рое переходит теряемая электронами энергия, в жидкости образуются паровые пузырьки. Если давление
в жидкости больше давления насыщенных паров при данной температуре, то паровые пузырьки, поро-
ждаемые ионизирующими частицами высоких энергий, будут быстро исчезать. Кавитация на паровых
зародышах развивается, либо когда давление в жидкости длительное время меньше давления насыщен-
ных паров, либо за счет пульсации давления.
Страницы
- « первая
- ‹ предыдущая
- …
- 29
- 30
- 31
- 32
- 33
- …
- следующая ›
- последняя »
