История исследования явления кавитации

На явление кавитации и ее последствия инженеры и ученые обратили внимание ещё в конце девятнадцатого века, когда существенно выросли скорости и мощности создаваемых машин и кавитация стала существенным препятствием на некоторых направлениях развития техники, прежде всего в судостроении. Однако до сих пор можно сказать, что это явление изучено все еще недостаточно.

Впервые с явлением кавитации инженеры-кораблестроители столкнулись вовремя испытаний британского эскадренного миноносца «Дэринг». Во время скоростных испытаний эсминец развил максимальную скорость 24 узла вместо 27 узлов, предусмотренных проектом. И только увеличение площади винта на 45% позволило конструкторам выйти на проектную скорость. Поначалу предполагали, что обнаруженная проблема связана с повышенным сопротивлением корпуса судна и с неисправностями в главных двигателях. Однако британский инженер Роберт Фруд (младший сын Уильяма Фруда – основоположника корабельной гидродинамики) выдвинул другую гипотезу, теоретическую предсказанную Эйлером еще в 1754 году. Проанализировав результаты испытаний миноносца, он пришел к заключению, что потеря скорости вызвана неизвестным до этого явлением, которому он дал название «кавитация» (от латинского «cavus» – пустой, полый).  В этом же году неудача постигла и другое судно – «Турбинию», спроектированное британским инженером Чарлзом Парсонсом. «Турбиния» была самым скоростным судном своего времени и первым судном с паротурбинной установкой мощностью 1000 л. с.

Малая кавитационная труба парсонса (1985 г.)

Малая кавитационная труба Парсонса (1985 г.)

Во время первых ходовых испытаний «Турбиния» развила скорость 19,25 узла, а затем судно внезапно потеряло ход. Как выяснилось при последующем подводном осмотре, у судна оказались повреждёнными винты – они были покрыты странного вида раковинами. Повторные испытания с новыми винтами показали те же результаты.

Неудача, постигшая Парсонcа при испытаниях «Турбинии», побудила его приступить к экспериментальным исследованиям. В 1895 году он построил первую в мире кавитационную трубу и получил первые фотографии кавитации на гребном винте. Диаметр модельного винта равнялся 50,8 мм, шаг 71, 2 мм. Кавитация отчетливо наблюдалась при скорости вращения 1500 об/мин. Парсонс обнаружил четкую связь между кавитацией и наблюдаемыми повреждениями на винте, и указал на большую роль парообразования в процессе кавитации. Спустя два года, решив все проблемы, связанные с кавитацией, Парсонсу удалось довести скорость судна до 32,25 узлов.

В 1910 году Парсон построил вторую гидродинамическую трубу, позволяющую испытывать винты большего диаметра (до 305 мм). Это событие можно считать отправной точкой для всех последующих экспериментальных исследований явления кавитации. Однако примерно до 40-х годов двадцатого века развитие исследований кавитации гребных винтов и насосов шло очень медленно в связи с трудностью создания экспериментальных лабораторных установок и стендов, способных обеспечить большие скорости движения жидкости. Кроме того, следует учитывать и малые размеры типичных кавитационных пузырьков и кавитационных кластеров: даже при современном уровне техники прямые измерения параметров этих пузырьков практически невозможны. Непосредственному измерению доступны лишь интегральные параметры квазистационарных зон кавитации.

Большая кавитационная труба Парсонса, построенная в Уоллсенде (Англия) в 1910 году.

Большая кавитационная труба Парсонса, построенная в Уоллсенде (Англия) в 1910 году.

Читать далее